利用兩個或更多的獨立發光二極體(LED)，使今日的驅動器能控制可用於可攜式系統中的新潮裝飾光(Fun Light)，不僅LED電流(I-LED)峰值電流完全可編程，每個LED都能在0～100%亮度範圍之間調光至任何值。此外，工作在向上和向下兩種方向的嵌入式漸進調光功能提供終端客戶所需要的特別照明序列，本文將闡述這種驅動器的行為特性，並基於一個典型應用重點探討漸進調光，此外，討論相關的軟體作為一項典型示例。
LED連接方式包含串/並列
一般而言，LED驅動器在適當的條件下提供恆定的電流對LED進行偏壓。若考慮可攜式系統，其電源是輸出電壓範圍在2.8～4.2伏特之間的電池(假設為標準的鋰離子電池)，由於根據偏壓電流和室溫的不同，當今的低功率LED的順向電壓會在2.8～3.5伏特之間變化，需要一個介面確保LED在正常工作期間可適當地偏壓，這就是驅動IC的目的，而要考慮的第一個模組就是電流控制系統的電壓範圍(圖1)。就這點而言，可考慮採用串列或並列方式對LED進行連接，而這兩種連接方式各有其優缺點(表1)。
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| 圖1 基本的LED接線 |
| 表1 串列與並列結構比較表 |
| 結構 |
轉換器 |
I-LED調變 |
PCB布置 |
電流匹配 |
效率 |
電磁干擾 |
| 串列 |
升壓 |
共用，不易於對單個LED進行設定。 |
簡單 |
本身匹配 |
如果LED數量大於三個，則效率較高 |
必須仔細選擇電感和PCB布置 |
| 並列 |
電荷泵 |
獨立；逐個LED設定 |
複雜 |
需要精確的電流鏡 |
中等至高 |
良好的陶瓷電容和PCB布置 |
關鍵點在於，在彩色應用中獨立及動態地調節每個LED亮度的能力。雖然可能採用升壓結構、使用開關在每個LED間進行連接以控制LED，但串列排列並非首選的解決方案；而並列結構最易於實現。
電荷泵是產生低電壓及最小電磁干擾(EMI)問題且最合適的直流對直流(DC-DC)轉換器。另一方面，採用多種運作模式(1X、1.5X、2X)純粹提升效率，使系統在可攜式裝置中運行時能夠盡可能節省能量。
除DC-DC轉換器，第二個關鍵參數屬於共同陣列的LED間的電流匹配，即紅綠藍(RGB)結構不能適應LED間的偏壓電流差別，因為這些差別會轉化為視訊和圖像顯示中的色彩表現，透過使用如圖2中所示的一套精確的電流鏡，這個問題就可得到解決。
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| 圖2 基本的電流鏡結構 |
為了在LED中實現精確及穩定的正向偏壓條件，透過與帶隙基準提供的恆定電壓相關外部電阻產生一個基準電流，與運算放大器U1相關的電晶體Q1在Vref接腳產生恆定輸出電壓，Vref和接地之間連接的外部電阻產生流經Q1和Q2的恆定電流，此時這個電流就被Q3至Q7的電晶體系列建立鏡像和放大，每個電流被連接至開關S1至S5，並且被電晶體Q8相加。最後，電晶體Q9複製基準電流至LED1，這種結構針對每個LED進行複製，而晶片的布線經仔細分析，以優化每個LED之間的匹配。
這樣，每個LED都共用相同的I-LED峰值電流，而且需要額外的電子電路對每個LED的亮度進行獨立控制。這種功能透過為每個LED使用獨立的脈衝寬度調變(PWM)實現(圖3)，亦即由數位訊號PWM1至PWM3控制的開關S6至S8啟動/關閉相關的電流鏡，因此產生相關LED的亮度控制，其優勢是LED峰值電流恆定，確保色彩表現不會被亮度控制所減弱，而LED的工作點保持在色彩地圖所定義的參考色彩。
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| 圖3 典型的獨立PWM控制 |
圖4中的波形源自工業應用，其顯示嵌入在所選元件中三個PWM的行為。三個LED採用一個共同低頻時脈控制，並帶有一個工作週期設置適應特定應用，很明顯能夠獨立地減弱或增強每個PWM，且範圍在0～100%的工作週期間，而I-LED峰值電流為恆定。
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| 圖4 典型的工業PWM操作 |
一種更加複雜的電路設計能夠用來獲得對LED的完全獨立控制，即為I-LED峰值電流和PWM都能夠數位編程設計，產生幾乎無限的色彩範圍和亮度，因為I-LED峰值電流在色彩地圖中移動，基本的模型描述如下。
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標準的I2C埠口用於處理I-LED和PWM，透過軟體調整控制器內建的功能，為了更仔細地闡述漸進調光，本文利用廠商推出的控制器作為參考描述這種功能的操作。在PWM發生前，I-LED峰值電流將該元件數據表中所定義的方式透過發送適當的代碼至晶片設定，以建立平滑的增強亮度，軟體並發送驅動器可用的總級數，而在本例中，該驅動器擁有三十一級，可在微控制器(MCU)中應用一個簡單環路處理這樣的工作，但由於與即時系統相關的優先權中斷問題，亮度上升過程可能被打亂，該元件含有內置序列，避免MCU即時運作漸進調光的需求，無論是亮度增強還是減弱，都能透過非常有限的軟體步驟來實現，並且沒有高優先權中斷事件的影響，但基本上，兩個內置暫存器可預先調整(表2)。
表2 暫存器預先調整項目 |
| 漸進調光的目標和方向 |
時序和啟動條件 |
| 1.亮度增強=%101x xxxx時，最後位[B4:B0]包含增強的最終I-LED目標。 |
GRAD=%111x xxxx時，最後位 [B5:B0]包含每級的時序。 |
| 2.亮度減弱=%110x xxxx時，最後位[B5:B0]包含減弱的最終I-LED目標。 |
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I-LED電流將從0平滑增加至5.5毫安培，總序列時序等於GRAD暫存器位[B5:B0]的內容乘以增強(UPWARD)暫存器定義的級數，在這個例子中，T=GRAD[B5:B0]×UPWARD[B5:B0]，T=64×26=1,664毫秒，圖5中的波形展示向上漸進調光，對DWNWRD暫存器進行適當程式設定來實現向下調光的操作，而從圖5中可觀察出，I-LED電流以準指數曲線形式增加，這種情況好至足以補償人眼的敏感度。
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| 圖5 典型的每級8毫秒NCP5623自動向上漸進調光過程 |
嵌入暫存器使對漸進調光進行動態控制成為可能，並可對不同視覺效果進行模擬，舉例來說，可重複由向上或向下期間的數位調變建立的序列，也可能結合其中一組漸進調光和在波形的相反側建立類似波形的鋸齒(Saw Tooth)。最後，能結合漸進調光、嵌入在晶片中的PWM，及透過IREF接腳對I-LED峰值電流進行調變，以建立相當複雜的光照序列，因此，裝飾光系統能採用主控制器周圍最少數量的無鉛元件設計完成。
(本文作者任職於安森美半導體)