筆者觀察用了幾年的Brother噴墨印表機，注意到它的軟開關上方有一個不顯眼的綠色LED (圖1)。該LED的工作週期很有趣：熄滅大約3秒鐘，然後再大約1秒鐘內上升到最高亮度，然後又再大約1秒內衰減回完全熄滅，然後又進入熄滅狀態，循環再次開始(圖2)。只要印表機正常打開和待機，無論是處於列印還是靜止模式，都會重複該循環。

圖1：Brother印表機上幾乎看不見的綠色LED (在箭頭處)緩慢地亮起和熄滅，以顯示設備已就緒，即使處於待機狀態。

(來源：Brother International Corp)

圖2：綠色LED的上升/下降計時週期平穩且緩慢，總週期為5秒。

(來源：Bill Schweber)

據我所知，這個LED的作用是指示「本機已做好列印準備」。我懷疑，光強度增/減的慢速漸變是用硬開關閃爍來代替，它不會以「尖叫」方式來吸引你的注意力，因為這只是一種「確定」類訊號。

該LED指示燈動作的緩慢升/降斜坡動作，讓我對一個基本的類比電路問題產生了疑問：印表機如何控制LED？由於我無法看到原理圖或程式碼，只能推測可能的方法。請記住，這是一種非關鍵性能，即便是LED的強度及其計時可能會變化10%甚至20%，設備仍歸屬正常。

幾分鐘內，我想到了以下幾種可能性：

電壓源驅動方式

驅動LED的最簡單方法是從電壓源透過限流電阻器(圖3)。該方法不太精美，也不節能，但價格便宜，而且很實用。一個軟體控制的電壓輸出數位類比轉換器(DAC)可以提供所需的電壓，並且一小段程式碼即可將DAC輸出轉換成斜坡週期和定時。只要電阻器和LED的尺寸比較小，且是單線供電，而效率偏低在這裡不會成為什麼問題。

圖3：透過限流電阻器從受控電壓源驅動LED是不必要的，但可以工作。

(來源：Bill Schweber)

電流源驅動方式

技術上更「合適」的方法是使用DAC控制的電流源來驅動LED，同樣要使用一些程式碼來管理DAC(圖4)。

圖4：純電流源是驅動LED的更好方法。

(來源：Bill Schweber)

處理器輸出驅動方式

另一種方法可能是使用來自系統處理器的數位輸出(即通用型輸入輸出，GPIO)位元，透過二極體將一些電荷泵傳入到小電容器中，然後電容器放電並利用電阻器向LED提供電流。圖5是一個非常簡化的電路，如果GPIO位元能夠透過控制一個電晶體來打開和關閉來自系統軌的電流，其工作性能會更好。透過調整電阻器和電容器構成的時間常數以適應所需的升/降速率，以及GPIO脈衝持續時間和重複頻率的適當定時，即可實現所需的LED動作。

圖5：該簡化示意圖顯示，也可以使用電容器的充電和放電來使LED驅動器漸亮和漸滅。

(來源：Bill Schweber)

脈衝寬度調變(PWM)方式

最後，實現處理器控制PWM的GPIO埠，亦可以透過限流電阻器驅動LED (圖6)。利用對脈衝寬度和間隔的控制，再加上使用者眼睛的視覺融合，將會產生所期望的感知光強度。

圖6：提供PWM的GPIO埠可控制脈衝寬度和間隔，同時使用者的眼睛視覺融合脈衝序列，將會導致連續的光強變化。

(來源：Bill Schweber)

印表機是否使用了上述這些方案之一？我不知道，也無從知道。但在進一步思考這個問題後，我意識到，提出「你會怎麼做」這個問題是一件自然而然的事情，要求剛入門的新進員工擔任類似的設計角色是合理的。這實際上是一個「思考」的問題，而不是一個確定性問題。

更好的是，後續問題可以是「每種方法的優點和缺點是什麼？」這樣，即使是一位只有一點電路經驗的工程師，也至少可以清楚地掌握基本設計問題和相關權衡；畢竟，這才是現實世界工程設計的真正意義所在。

你認為慢慢漸亮LED電路有哪些選擇？在面試與基本電路相關的初級設計職位的人時，是否使用過類似的問題？

(參考原文：How many ways can you ramp an LED?，by Bill Schweber)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年3月號

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