模拟技术简化便携式应用中的LED亮度调节

使用LED型固态照明（SSL）的便携式设备要求使用高效驱动电路来延长电池使用时间，同时还要求使用一些亮度调节方法来对光线输出进行调节，以适应周围的照明环境。在诸如智能手机或者便携式GPS导航系统背光照明等应用中，必须使用LED亮度调节，目的是让用户在强太阳光和夜晚弱光条件下都能看清楚屏幕。使用手电筒时，用户认为较长的电池使用时间更加重要，而非提供最强的光线照明。我们可以在这些应用中使用模拟亮度调节或者脉宽调制（PWM）亮度调节方法。模拟设计通过使用一种创新方法来建立起一个参考电压，从而获得比PWM型设计更高的效率。
 
模拟和PWM亮度调节方法都对LED驱动电流进行控制，而该电流同光线输出成正比关系。模拟亮度调节结构简单，控制功耗最低，并且一般比PWM亮度调节方法要高效，原因是低驱动电流时LED正向电压更低。
 
但是，模拟亮度调节要求通过一个单独的电压基准生成模拟电压（可能会对某个方波输入信号使用RC滤波器输出，或者使用一个昂贵的数模转换器（DAC））。图1所示电路通过修改一个电位计，没有了这些方法的复杂性，从而实现了一种简单、高成本效益的模拟亮度调节方法。这种整体解决方案，是一种高效、低成本、低组件数目的LED驱动器，适用于单个高电流LED，例如：欧司朗的金龙（Golden Dragon）等，可用于一些小型电池供电型设备。
 
电路运行情况
 
图1 电位计R1实现的模拟亮度调节LED驱动器
 
电路要求使用一个电压调节、同步、降压转换器，通过一个17V电源提供高达1A的输出电流，例如：TPS62150。图1中，这种降压转换器使用反馈（FB）引脚来控制检测电阻R2的电压，对LED的电流进行调节。FB电压由一个精确内部参考电压（一般为0.8V）和一个SS/TR（慢启动与追踪）外部输入引脚共同控制。
 
SS/TR引脚电压低于1.25V时，FB引脚电压等于SS/TR引脚电压乘以0.64，即VFB = 0.64 * VSS/TR。通过控制FB电压，进而控制R2的电压，IC可改变驱动LED的电流大小。
 
SS/TR引脚有一个嵌入式电流源，其一般为2.5 μA。该电源常用于对电容器充电，并形成平顺、线性的SS/TR引脚电压上升。典型降压转换器中，这会使输出电压线性、受控地上升，同时也减少了输入电源的突入电流。使用这种设计时，一个接地电阻在SS/TR引脚上产生恒定电压。
 
一个电位计放置于SS/TR引脚上，目的是将该引脚的电压保持在250mV（电位计=100 kΩ）和0V（电位计=0Ω）之间。回顾上述方程式，它意味着FB引脚电压范围在160 mV和0V之间。R2为一个0.15Ω电阻器时，LED电流变化范围为1.07A-0A。由于FB引脚电压与SS/TR引脚电压线性相关，因此电位计可提供如图2所示线性模拟亮度调节。

图2 图1所示电路的亮度调节线性情况，其使用一个电位计实现亮度调节。
 
这种电路拥有非常高的效率，因为FB引脚电压的值相对较低。这种低电压可降低检测电阻R2的功耗。另外，TPS62150在轻载电流条件下使用节能模式，以在大多数负载范围保持较高的效率。图3显示了图1所示电路的效率，其使用一个12V输入，并且在开关输出过程中使用TDK的VLF3012ST-2R2电感器。
 
我们可以提高这种电路的效率，但代价是增加电路尺寸。例如，你可以将FSW（开关频率）控制引脚连接输出电压，从而降低工作频率，并且（或者）选择一个低DCR（DC电阻）及（或）拥有更佳AC损耗特性的电感器。尽管实现这两种方法可能需要更多的电路板面积，但却可以达到90%以上的效率。尽管其效率并非最高，但图1所示设计却拥有较小的解决方案尺寸和较好的工作效率。
 
电路局限性
由于这种电路使用一个非精确模拟输入（一种手动调节电位计）来调节LED电流，因此检测电阻、电位计电阻和SS/TR引脚电流的容差以及其对LED亮度的影响程度，都不那么重要。如果LED太亮，用户只需调低电位计电阻便可。如果太暗，只需调高电位计电阻。使用一个多向调节电位计时，我们可以有效地控制LED亮度，用于许多一般应用，例如：手电筒和背光等。
 
这种设计存在的一个缺点是SS/TR引脚和FB引脚电压之间的补偿。SS/TR引脚被拉低至0V时，通过减小电位计电阻，仍然可以有50mA的电流流过LED。因此，LED无法完全关闭，除非你增加一个带有上拉电阻器的接地开关，其连接至EN（激活）引脚。
 
其他模拟亮度调节方法
本文所述使用电位计电路的优点是其简易性和高成本效益。模拟亮度调节要求的模拟电压由IC的一个精确电流源产生，之后通过一个用户调节型电阻器转换为相应的光输出。除这种电位计以外，无需再使用任何其他组件。亮度调节的输入即电位计，是唯一需要的组件。
 
图 3 图1所示电路在亮度调节范围的效率。
 
如果没有这种精确电流源，我们需要考虑使用其他方法来产生模拟亮度调节所需的模拟电压。一些传统方法包括：使用一个独立参考电压IC，产生精确模拟电压；通过一个RC滤波器改变微控制器PWM输出的占空因数来产生精确模拟电压；或者使用一个带DAC的微控制器来产生精确模拟电压。
 
所有这些方法都要求用户输入来改变光输出。使用参考电压IC时，仍然要求使用一个电位计作为IC的输入，以调节电压和控制光输出。基准IC方法的成本比本文重点介绍的简易方法要高。
 
最后两种方法要求使用一个微控制器，同样也增加了解决方案的成本。尽管智能手机和GPS系统都包含有一颗微控制器，但一般的手电筒却没有。具体使用哪种方法，取决于你手边的应用，因为某些产品需要更友好的用户界面（可能使用触摸屏控制）。
 
第三种方法使用一个更大且更昂贵的DAC来代替电位计。DAC具有更好的输出模拟电压间隔尺寸，因此其光输出控制也比电位计更加精确。具体的应用决定了这种高昂的代价是否值得。
 
在降压转换器的SS/TR引脚上使用电位计是一种简单、小巧且低成本的方法，可为背光和手电筒照明等应用的高电流LED提供线性的模拟亮度调节。使用模拟亮度调节时，使用一个12V输入电源可在大多数亮度调节范围保持85%左右的效率。整套电路仅要求6个组件加上大功率LED。