本帖最后由 novakon 于 2014-8-14 00:59 编辑

这次要做一个色度计，其中要求有一个白色LED光源照亮被测物体。系统5V电源是USB供电。

现在要求流经LED的电流是可调且稳定的。

有人可能会马上说，用PWM+三极管开关来给LED调光。这个方法的确简单，但是存在一些问题。

首当其冲是电流不可调。PWM调光，是用固定的电流以不同占空比来调节灯的亮度，这样虽然视觉上的亮度是连续可调的，但其在导通时间内的电流是一个固定的值。而LED灯的色温是与电流有关的，这就意味着无法通过精确控制电流，精确地控制该LED的色温。这在当前项目中是不允许的。三极管导通态压降有误差，系统电源电压有误差，一切都会造成led的色温和亮度在不同的使用环境中无法保持一致。所以，要求设计一个较为精密的的压控恒流电路，由单片机PWM+低通滤波产生控制电压以控制通过LED的电流大小，且不受三极管个体差异、系统电源电压误差影响（USB口供电电压在4.8-5.2V范围内变化）。

根据需要，我设计了如下电路。


上图：单片机的一个脚作为PWM输出，经过R2和C1组成的低通滤波，作为VREF控制电压。
下图：
R7 10欧姆
R1 10千欧姆




下面我来分析这个电路的工作原理。
首先把R1去掉。
当场效应管2N7002的栅极电压升高时，其漏-源电流会增大，所以通过LED的电流也增大。这个电流会在R7上产生压降，R7上的电压会作为LM358运放的反相输入。显然，当R7上的电压小于VREF时，运放输出电压会上升，令通过7002的电流增大，也就使得R7上的电压增大，直到该电压等于VREF为止。也就是说，运放会让R7上的压降始终等于VREF。比如如果VREF为0.2V，R7上的压降就为0.2V，则通过LED的电流就为 0.2伏/10欧=20毫安。由于2N7002是场效应管，栅极电流基本为0，所以通过R7的电流精确地等于通过D1的电流。如此，就实现了利用VREF控制D1上电流的目标。

然而事情远没有那么美好：LM358这款运放之所以允许输入电压到达负电源轨道，是因为它的输入级是PNP三极管结构。358的输入偏置电流大约是50nA，也就是说会有50nA的电流从输入端流出来，流向信号源。
VREF是通过RC网络滤波产生的，为了保证线性度，R2取了一个比较大的值，10千欧。直流上来看，这相当于说VREF是一个输入内阻为10千欧的电压源。假如单片机输出0V接地，那么LM358的同相输入端的实际电压就是10K*50nA=500uV=0.5mV。这时运放努力地让R7上端的电压等于0.5mV。这相当于让50uA的电流通过R7；如果再考虑运放的偏置电压可能高达5mV，则R7可能通过500uA电流。这意味着，很有可能当单片机输出0占空比时，LED灯无法完全熄灭。500uA就是0.5mA，看上去LED正在发亮。

幸好358的输入偏置电压温飘不严重。最终解决办法：在图中添加电阻R1，它会让约0.5毫安的电流流过R7，提供R7上的5mV电压，确保其高于VREF接地时同相输入端的电压，从而确保LED熄灭。

在正常工作时，随系统电压改变，这个R1会带来多少电流误差呢？假设系统电压范围为4.8-5.2，这0.4V的误差在10千欧上将产生40uA的误差。相对于40mA工作的LED来说，这是千分之一的电流误差。

而传统的限流电阻+三极管方式呢？假设工作电流40mA，电压2.5V，则电阻上分到的电压为2.5V（不考虑三极管压降）。可知电阻阻值为2.5/0.04=62.5欧姆。假如电源电压从4.8到5.2变化，则电阻上电流变化为0.4/62.5=0.0064A=6.4毫安，这相当于1/6的电流误差！