使用電流輸出 DAC 和 TIA 精準控制 LED 亮度

發光二極體 (LED) 因堅固耐用、使用壽命長、效率高、可快速切換和體積小而廣受歡迎。LED 的每瓦流明度高於白熾燈，且效率不受尺寸和形狀影響。儘管 LED 已獲得廣泛的使用和技術支援，但要精準控制亮度仍舊是個難題。

雖然箇中原因有很多且都與每個 LED 波長的物理特性有關，但只要使用正確的元件和設計方法，還是能精準地控制亮度。

本文將簡要探討要達到一致的 LED 亮度時會面臨的難題，然後說明如何使用可編程的 14 位元電流輸出數位類比轉換器 (DAC)、運算放大器以及高精密類比微控制器，以便精準控制 LED 的亮度。本文將以 Analog Devices 的元件為例進行說明。

LED 陣列／應用

LED 半導體是一種電流從陽極流到陰極的發光式光源。半導體電子會重新結合電洞，然後以光子形式釋放能量。電子穿越半導體能隙所需要的能量，會決定 LED 燈的顏色。

LED 的電氣行為與標準二極體類似。如同標準二極體，務必記住不能在順向偏壓模式下過度驅動，否則二極體會過熱，最嚴重時甚至會造成開路。當 LED 處於順向偏壓時，電流會流經元件，並從陽極到陰極產生光線和壓降 (圖 1)。

圖 1：使用 20 mA 順向電流時，多種不同顏色的 LED，代表其具有不同的順向電壓。(圖片來源：DigiKey)

在圖 1 中，LED 的順向電壓隨顏色而異 (R = 紅色；O = 橘色；G = 綠色；Y = 黃色；B = 藍色；W = 白色)。通常，LED 燈由 20 mA 電流源進行激磁，以測量和指定順向電壓值。以電壓源驅動 LED 固然很誘人，但是要精準控制電壓源並不容易，可能會因過度驅動元件而導致過熱和提早故障。

並聯式與串聯式 LED 配置的比較

並聯、串聯以及並／串聯組合，是目前三個最常見的 LED 配置，但在大多數情況下，都會建議使用電壓源和電阻來驅動 LED，以便控制電流大小 (圖 2)。

圖 2：並聯 (A)、串聯 (B) 以及並／串聯組合 (C)，是目前常用的三種 LED 驅動配置。(圖片來源：DigiKey)

LED 並聯燈串 (A) 均須具有相同的順向電壓規格，因此 LED 的顏色會相同 (再次參見圖 1)。即使在此配置中，因為順向電壓有製造容差，因此 LED 不會平均共用電流。對於這種並聯配置，可能會有一個或多個 LED 燈消耗較多電流。由於順向電流／發光密度不同 (導致 LED 顯示不一致的因素之一)，LED 的亮度也會有差異。

在並聯配置 (A) 中，R_LED 值取決於預先確定的電源電壓 (V_LED)、LED 的標稱順向電壓，以及並聯 LED 的數量 (每個大約消耗 20 mA)。例如，當有十個白色 LED 並聯 (在 20 mA 電流下，順向電壓大約為 3.0 V) 且 V_LED 為 5 V 時，R_LED 等於 10 Ω。R_LED 為 10 W 這個值，係使用方程式 1 計算而來：

 方程式 1

V_LED = 電源電壓 (如圖 2)

N = LED 數量 = 10

I₁ = 20 m (註：I_LED = I₁*N)

R_LED = LED 偏壓電阻

V_X = 標稱 LED 20 mA 壓降

在串聯配置 (B) 中，每個 LED 都接收相同的電流量，但順向電壓不同。在串聯配置下，可能會有多個顏色的 LED。在此結構中，電源電壓等於每個標稱 LED 電壓的總和加上電阻 R_LED 的壓降。例如，如果此串聯配置下有十個紅色的 LED (順向電壓大約 1.9 V)，且有 20 mA 流經 330 Ω 的電阻，則系統電壓供應值 (V_LED) 大約為 25.6 V。在此配置下，若有一個 LED 故障或開路，就會造成整條燈串故障。

LED 並／串聯組合 (C) 能兼顧兩者的優點。在此配置下，串聯燈串的 LED 燈變少。這可降低 V_LED 值。此外，並聯燈串中的 LED 也變少，因此能降低電流消耗過多的機率。此配置還有一個優點，就是可編程電流輸出 DAC 可當作經濟實惠的激磁來源，代替傳統的靜態電壓源。

可編程型 LED 控制選項

在圖 2 中，並聯 (A)、串聯 (B) 和並／串聯組合 (C) 配置的 LED 驅動機制，具有串聯電阻 R_LED 以及電壓源 V_LED。在這三個配置中，降低順向電流 (代表 V_LED 降低或 R_LED 增加) 會讓 LED 燈變暗。電壓輸出 DAC 可提供可編程電壓給 V_LED，但其所需的高電流會是個問題。電壓輸出 DAC 通常無法供應 LED 所需的高電流，因此經常需要使用運算放大器。

可使用手動電位器或是數位電位器 (後者更好) 來取代 R_LED，但會有些功率耗散的限制，例如如何在電位器趨近於零歐姆時處理高電流。

若想避免電壓輸出 DAC 及電位器帶來的問題和複雜度，最簡便的設計方法是改用電流輸出 DAC。

電流輸出 DAC 能提供可編程電流給 LED。此 DAC 的關鍵規格是能夠為每個 LED 提供 20 mA 電流，並能以高解析度呈現此電流。在轉阻放大器 (TIA) 的輔助下，電流可編程性可用來調整所需的亮度 (圖 3)。

圖 3：可編程型輸出電流 DAC 可提供直接的順向 LED 電流控制，而 TIA 可提供亮度等級控制。(圖片來源：DigiKey)

在圖 3 中，兩個 LED 燈均會以 20 mA 激磁電流達到順向電壓位準。若想完成圖 3 的 LED 系統，需在 TIA 前端設置光電二極體 (PD)，來感測 LED 的亮度。在此系統中，放大器需要低輸入偏壓電流和低輸入偏移電壓，前者是為了避免與光電二極體競爭電流 (I_PD)，後者則是為了將 PD 的壓降減到最小。

可編程型亮度 LED 控制器的實作

要實作可編程型亮度 LED 控制器系統，需要使用精密類比微控制器 (如 Analog Devices 的 ADuCM320BBCZ)，以及同樣來自 Analog Devices 的 AD5770RBCBZ-RL7 電流輸出 DAC 和 ADA4625-1ARDZ-R7 運算放大器。

微控制器會：

• 驅動 14 位元 DAC 輸出電流值
• 接收 TIA 的輸出電壓並將其送至板載的 14 位元類比數位轉換器 (ADC)
• 執行必要的運算達到亮度控制

可編程型 DAC 會針對 LED 提供準確的輸出電流，而配置成 TIA 的運算放大器則會透過光電二極體接收類比 LED 亮度值。接著，TIA 會將輸出電壓 (V_OUT) 傳送至微控制器的 ADC 輸入 (圖 4)。

圖 4：此精密系統可針對 LED 提供可編程電流，以達到亮度控制。(圖片來源：DigiKey。係利用 Analog Devices 的光電二極體電路設計精靈線上軟體產生)

電流的大小可透過回授迴路的 TIA 受到系統控制。ADA4625-1 運算放大器具有 15 pA 輸入偏壓電流 (根據規格書)，以及 15 mV 偏移電壓，可提供寬廣的 TIA 動態範圍。此動態範圍提供極高的亮度靈活性，可將 LED 從最大亮度變成全暗狀態。

系統設計人員可決定 LED 亮度的變化及範圍。例如，14 位元 DAC 可提供 2¹⁴ (16,384 個) 區隔。對於這個滿量程輸出為 100 mA 的 DAC，根據以下方程式，最低有效位元 (LSB) 大小為 6.1 mA：

說明：

IDACx_LSB = x 通道的電流 LSB 大小

IDAC_MAX = 額定最大通道電流

N = DAC 位元數

電源電壓為 5.0 V 時，六通道式 AD5770R 會驅動兩個標稱電流為 20 mA 的串聯式 LED。在此電路中，LED 電壓會各自達到其順向電壓位準。

在圖 4 所示的電路中，每個輸出埠 (IDAC0-IDAC5) 的最大輸出電流可調整至標稱值的 50%。這種靈活性能讓設計人員針對 LED 激磁電流達到更優異的匹配。如此一來也可減少 LSB 電流大小。

圖 4 中也顯示，最大 IDAC2 電流為 55 mA，最大 IDAC5 電流為 45 m (根據規格書)。如果 IDAC2 燈串中的 LED 是紅色 LED，則 IDAC2 引腳的標稱電壓為 1.9 V x 2 (即 3.8 V)，DAC 的 LSB 大小為 3.4 mA。

若想進一步提高系統準確度，設計人員可使用外部參考或增添精密電阻，來取代 DAC 的晶片上參考產生器。

最後，AD5770R 具有多工式晶片上診斷功能。因此，設計人員只需使用外部 ADC，便能監測輸出順應電壓、輸出電流以及內部晶粒溫度。

AD5770R 電流輸出 DAC 使用低雜訊的控制式可編程電流源來驅動兩個 LED 燈串。其中，IDAC2 和 IDAC5 的輸出雜訊頻譜密度分別為 19 nA/√Hz 和 6 nA/√Hz。

結論

LED 不僅堅固耐用、使用壽命長、能耗低、體積小，而且能快速切換，比起其他照明技術，具有許多優點。然而，儘管 LED 已獲得廣泛的使用，但要精準和有效地控制輸出亮度仍是一個難題。

如本文所述，使用 ADuCM320BBCZ 精密微控制器、AD5770 14 位元兼具可編程性和高準確度的電流輸出 DAC，以及採用 TIA 配置的 ADA4625-1 JFET 運算放大器，就可精準控制 LED 的亮度。這個組合不僅能幫助設計人員滿足精準控制 LED 亮度的需求，還能以完整的診斷能力，監測所有 LED 驅動器電流，並提供調光控制。