LED 驅動器在照明應用中的關鍵作用

白熾燈與其他老式燈泡是利用電能對燈絲或氣體加熱，使其發光。與之相比，發光二極體 (LED) 由特殊半導體材料製成，能將通過的電能直接轉化為光，這種現象稱為電致發光。

在特定電壓與電流下，各種 LED 材料會發出頻率範圍狹窄的光線。若電壓與電流偏離特定值，會導致 LED 停止發光或色彩強度發生變化。

設計人員通常使用恆定電流調降 (CCR) 或脈寬調變 (PWM) 方法控制 LED 亮度。這兩種方法都以調整光輸出為目的，但運作方式的本質不同，各自具有不同的設計取捨：

• CCR (通常稱為類比調光) 採用的方式是減小流向 LED 的電流。這種方法簡單易行，雜訊低，不會產生閃爍，因此適用於基本應用。但是減小電流會導致 LED 的色彩發生小幅變化，並且會限制調光範圍，尤其在照度很低的狀況下更是如此。
• PWM 執行 LED 調光的方式則是快速開關 LED，同時在每個脈衝期間保持電流恆定。此項技術能保持色彩一致性，並大幅提升調光範圍的廣度 (該範圍下限通常可達 1% 以下)，因此成為可調照明或顯示器的理想選擇。PWM 的缺點在於若切換頻率不夠高，可能會產生電磁干擾 (EMI) 與可見的閃爍。設計人員必須仔細權衡這些因素。

PWM 可能需要使用更複雜的驅動器，需要考量 EMI 濾波，而 CCR 在需要高色彩精密度或超低調光的應用中則可能不敷使用。在某些狀況下，將 CCR 與 PWM 結合使用可帶來兩全其美的效果。

設計考量

透過明智的設計選擇，設計人員可以克服 CCR 或 PWM 調光的侷限。針對 CCR，設計人員可以選取在寬廣電流範圍內具有穩定色彩效能的 LED，並運用伽瑪校正或對數調光曲線對調光回應進行調整，以符合人眼對亮度變化的感知。這會產生更平順、更自然的亮度轉變。仔細選取驅動器、進行精心的熱管理也有助於保持色彩穩定性並提升調光效能，而無需使用額外的電路。

對於 PWM 調光，主要難題在於閃爍、EMI 與設計複雜度。若要解決這些難題，可以使用高頻率 (通常在 20 kHz 至 25 kHz 以上) PWM，以避免產生可見的閃爍並儘量減少對音訊系統或攝影系統的干擾。精心設計電路板、採用濾波器，並選取具有可調訊號速率等功能的 LED 驅動器可以有效控制 EMI。具有內建 PWM 功能的驅動器可在內部產生訊號以簡化流程，無需在驅動器外執行精確的時序管理。

CCR 可能更適用於需要儘量降低 EMI 的應用，例如醫療照護場合、實驗室或具有敏感電子元件的環境。該方式能在有限的範圍內可靠提供平順、無閃爍的調光，而且相對簡單，因此適用於居家、餐廳及大型場館的一般照明，尤其在最注重簡便性與成本時更是如此。

PWM 通常更適用於對色彩一致性、調光範圍廣度具有高需求的應用，例如舞台照明或需要對照明進行極其精細控制的環境。具有整合訊號源的 PWM 驅動器，能在內部處理時序以進一步簡化設計流程，進而降低設計複雜度。

若選用 PWM 方式

PWM 方式有利於需要達到多通道控制、色彩一致性與汽車領域可靠性的應用。

Diodes Inc. 的 AL5887Q 進階 36 通道車用 LED 驅動器就是良好的範例，此產品具有雙模功能。在亮度為 100% 至 3% 的範圍內，該驅動器會調變恆定電流的工作週期，透過深度 PWM 進行調光。但是在亮度低於 3% 時，此驅動器會轉而採用類比調光模式，透過可編程數位控制 (而非僅使用典型的類比 CCR 電路) 進行 CCR 的功能。

AL5887Q 具有內建 16 MHz 振盪器，無需外接時脈，因此能簡化電路板設計與佈局，減少印刷電路板佔用的空間，並降低物料清單 (BOM) 的成本。AL5887Q 使用 12 位元 PWM 可定址暫存器與 30 kHz 內部 PWM 產生器，以改善色彩混合並減少雜訊。

設計人員可將該產品用於：

• 汽車內外照明
• 車用資訊娛樂顯示器
• 狀態指示燈
• 觸控面板與 LCD 顯示器背光

這些應用都需要控制 LED 的色彩與亮度，而這正是 AL5887Q 驅動器 (圖 1) 有助於實現的關鍵功能。

圖 1：Diodes Inc. 的 AL5887Q LED 驅動器可簡化車用顯示與照明應用。(圖片來源：Diodes Inc.)

控制 RGB LED 的色彩

控制 RGB LED 的色彩涉及到對流向 LED 封裝內所含每種 (共三種) 不同色彩晶粒的電流進行調整 (圖 2)。簡而言之，若要產生亮黃色，需要將紅色與綠色晶粒調亮至指定的最大值，而將藍色 LED 調暗或熄滅。同樣，透過控制個別 LED 的亮度可以產生多種色彩。

圖 2：若要控制 RGB LED 的色彩，應用需要對流向 LED 封裝內每種 (共三種) 不同色彩晶粒的電流進行調整。(圖片來源：Broadcom)

典型照明應用的架構

照明應用可能包含數百顆 LED 及其他元件，在一部小型電腦或微控制器上執行的程式會控制所有這些 LED 與元件。

AL5887Q 的引腳如圖 3 所示。應用可能包含多個驅動器，其中每個驅動器最多可連接 12 顆 RGB LED 或 36 顆單獨 LED (使用專屬引腳 OUT0 至 OUT35)。

圖 3：AL5887Q 的引腳。AL5887Q 最多可連接 12 顆 RGB LED 或 36 顆單獨 LED，使用專屬引腳 OUT0 至 OUT35 (圖片來源：Diodes Inc.)

AL5887Q 為何是照明應用的優質 LED 驅動器

AL5887Q 可對通道執行混合與匹配，將部分通道用於色彩混合，而將其他通道用於狀態指示燈或類似的單色 LED 應用。每個通道都能作為可編程恆定電流源而提供均勻的亮度與色彩，零售、汽車或建築照明應用中，很容易注意到色彩或亮度不一致，因此這是重要的考量因素。

錯誤偵測

除了對 LED 燈進行色彩混合與調光外，AL5887Q 還能偵測短路等各種錯誤狀態，並將錯誤狀態記錄在內部的「旗標」暫存器中。AL5887Q 可使用 FAULT 引腳向微控制器提供問題相關的提醒。藉由 LED 驅動器的錯誤偵測機制，微控制器上執行的應用程式可以做出回應，並提供用於維修的診斷資訊。

簡化應用開發人員的工作

對 AL5887Q 進行控制的微控制器不必執行部分常規作業 (例如亮度色彩對應)，可簡化應用開發人員的工作。因此，微控制器上執行的程式更簡單，開發時間更短，系統也藉由消除潛在的錯誤來源而更加穩健。

分組

眨眼與「呼吸」(類似於緩慢的脈動) 等一些 LED 動畫效果涉及到許多 LED 的協同動作。實現協同動作的方式並不是由微控制器程式分別辨識每顆 LED 並重複傳送相同的命令，而是可以對 AL5887Q 進行設定，以便將許多 LED 劃分為多個「組 (bank)」。由整組 LED 執行單一命令。

I²C 與 SPI 支援

高階 LED 應用具有許多周邊裝置及組態，需要採用能相應探索並修改行為的彈性邏輯。此類應用可以選擇 I²C 技術，此技術使用兩條導線即可對數十個周邊裝置進行探索與通訊。

與之相比，對於具有固定組態和簡單邏輯的低階應用，可使用 SPI 加以簡化。SPI 技術使用的導線更多，但能與已知的周邊裝置直接進行通訊。

AL5887Q 同時適用於這兩種應用架構，既可以支援 I²C 通訊方式，也可以支援 SPI 通訊方式。藉由「介面選取」(INT_SEL) 引腳，微控制器應用可以在啟動時命令驅動器電路使用其中一種通訊方式。

省電模式

LED 關閉時，AL5887Q 會自動進入省電模式，此時消耗的電流僅為 25 µA。若微控制器向其傳送某項命令，AL5887Q 會恢復正常模式。使用組態命令可以停用此項功能。

結論

AL5887Q 的 12 位元 PWM 控制屬性兼具精密度與彈性，因此成為進階 LED 照明應用的多功能可靠選擇。該產品佔用空間小，已整合多項功能，因此能降低對額外元件的需求，並能降低整體成本，簡化開發工作。