采用混合信號高電壓單片機實現(xiàn)LED降壓-升壓驅(qū)動電路

LED背景知識
　　近年來，LED逐漸成為一種可行的新興光源，它們已經(jīng)不再僅僅用作電子設(shè)備的“狀態(tài)指示燈”。技術(shù)進步使得LED的發(fā)光效率通?？蛇_(dá)白熾燈的三倍多，此外，LED還非常耐用，壽命超過上萬小時。

　　針對照明應(yīng)用的大功率LED要采用恒流源驅(qū)動，一些標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動電流常常用在不同LED生產(chǎn)商的產(chǎn)品中，其中，350mA和700 mA最為常見。根據(jù)串聯(lián)結(jié)的類型和數(shù)量，LED兩端的正向壓降可能不同。許多生產(chǎn)廠商的大功率LED產(chǎn)品都在單個模塊中集成了多個結(jié)。

　　驅(qū)動LED的一種簡單方法是采用串聯(lián)電阻來限制電流。線性穩(wěn)壓器或運算放大器也可連接成恒流配置。然而，此類線性方法無法在所需要的功率水平下提供足夠的效率。

　　開關(guān)電源（SMPS）為LED驅(qū)動提供了效率更高的解決方案，它可以將輸入電壓升/降至適當(dāng)?shù)碾娖?，從而提供所需要的LED電流。系統(tǒng)輸入電壓范圍以及所需要的LED正向壓降決定了對SMPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇。

　　降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

　　當(dāng)供電電壓高于或低于需要的輸出電壓時，使用降壓-升壓轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。對于電池應(yīng)用來說，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器非常有用。降壓-升壓結(jié)構(gòu)還稱為反激式(fly-back)變壓器或逆變穩(wěn)壓器。

　　降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可按圖1的方式實現(xiàn)。這種實現(xiàn)方案的優(yōu)點是可使用簡單的低端MOSFET驅(qū)動器電路，它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將產(chǎn)生相對于輸入電壓軌的正電壓，這一降壓-升壓實現(xiàn)方案的缺點是負(fù)載并未以電路地為基準(zhǔn)。

采用PIC16HV785的電路實現(xiàn)方案

　　圖2顯示了LED驅(qū)動電路的簡單設(shè)計方案，其中采用了一片混合信號高電壓8位單片機，如PIC16HV785。  該電路的輸出相對于電池電壓，而非地電位。逆變器的輸出連接到LED的陽極，產(chǎn)生的電壓值高于輸入電壓。

PIC16HV785混合信號單片機集成了一個8位單片機內(nèi)核和多個片上模擬外設(shè)，包括：

　　一個高速雙相位PWM電路，對于開關(guān)電源的電流模式控制非常適合。
　　兩個片上運放，可用于放大電流檢測電阻兩端的電壓。這樣可以采用極小阻值的檢測電阻，從而可以降低電路損耗并提高電路的總效率。
　　一個高電壓分流穩(wěn)壓器，在輸入電壓更高時也不需要外部5V穩(wěn)壓器。
　　一個數(shù)字捕捉、比較和PWM(CCP)模塊。
　　兩個模擬比較器。
　　一個10位A/D轉(zhuǎn)換器。
　　內(nèi)部時鐘電路，工作頻率8MHz。
　　一個內(nèi)部精確電壓參考源，不需要昂貴的外部器件。
　　一個可編程欠壓復(fù)位(BOR)電路。
　　運放和比較器的所有引腳都可以通過外部訪問，因此可以實現(xiàn)任意電路配置。
　　電流檢測電路

　　電流檢測運放連接成差分放大器，以精確測量電流、檢測電阻兩端的電壓。為簡化電路要求，在電源返回路徑上進行電流測量。R1、R2和C1構(gòu)成一個低通濾波器，用來降低可能存在的開關(guān)噪聲。為避免影響控制環(huán)的響應(yīng)，該濾波器的截止頻率必須大于電壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率。

　　穩(wěn)流電路

　　穩(wěn)定LED電流流量的電路由雙相位PWM模塊、內(nèi)部比較器和一個參考電壓源構(gòu)成。雙相位PWM模塊是按置位/復(fù)位原理工作的“模擬”式PWM模塊。首先，從系統(tǒng)時鐘產(chǎn)生的一個時鐘信號用來周期性地開啟PWM輸出。PWM時鐘信號確定基本的PWM頻率。然后，當(dāng)達(dá)到指定的參考電平時，來自一個片上比較器的復(fù)位信號會關(guān)斷PWM輸出。

　　放大后的電流信號內(nèi)部連接到PIC16HV785中比較器1的正輸入端。PWM模塊使用PIC16HV785 器件中的捕捉比較外設(shè)（CCP1）來產(chǎn)生比較器所需要的參考電壓。采用PWM可以更精細(xì)地控制比較器參考電壓。利用RC濾波器對PWM信號進行濾波，從而獲得一個模擬電壓并將它輸送給比較器的負(fù)輸入端。

　　軟件實現(xiàn)方案

　　這一應(yīng)用的軟件部分非常簡單，因為LED電流控制功能是采用模擬方式完成的。一旦所有外設(shè)被設(shè)為使能，并且正確設(shè)置了電流參考值，那么不需要軟件干預(yù)，LED就會持續(xù)發(fā)光。 

　　然后，應(yīng)用程序代碼可以測量供電電壓(利用片上集成的10位A/D轉(zhuǎn)換器）和供電電流，從而保證驅(qū)動LED工作在恒定功率模式。隨著電池輸入電壓的變化，D/A電路（采用CCP外設(shè)實現(xiàn))將產(chǎn)生新的參考電壓值進行補償。

　　設(shè)置LED亮度

　　由于單片機內(nèi)核在穩(wěn)定功率方面僅需要花費很小一部分時間，因此更多的時間可用于用戶界面以及提供更多功能，如電池狀態(tài)監(jiān)控和亮度控制。利用這一電路及軟件調(diào)整LED亮度有兩種方法。其中一種技術(shù)基于LED亮度隨驅(qū)動電流而變化的原理，事實上，利用這種方法可以實現(xiàn)近似線性的LED亮度控制。然而改變電流實現(xiàn)調(diào)光并非控制LED亮度的最高效方法，只有在生產(chǎn)商指定的最大驅(qū)動電流水平下，LED才能夠達(dá)到最高的發(fā)光效率。

　　可利用一個低頻PWM信號來調(diào)制LED驅(qū)動電流。采用這種方法，電流并未減小，即在點亮?xí)r，LED始終通過最大電流。但PWM信號的占空比設(shè)定了LED點亮的平均時間。PWM頻率要選擇得足夠高，以使LED電流的開關(guān)速率足夠快，從而使人眼感受不到光在閃爍；同時，PWM頻率也要足夠低，這樣穩(wěn)流電路在PWM導(dǎo)通時間內(nèi)就有足夠的時間穩(wěn)定。如果這些條件都能夠滿足，那么人眼會對一段時間內(nèi)的LED的光輸出進行平均。PWM調(diào)光信號的頻率通常在60Hz 到 1000Hz之間。

　　總結(jié)

　　PIC16HV785幾乎包含了實現(xiàn)大功率LED驅(qū)動電路所需要的元器件。根據(jù)輸入電壓范圍，可以方便地配備成升壓或降壓-升壓工作模式。這一應(yīng)用僅使用了單片機RAM和閃存的一小部分，為其他用戶應(yīng)用程序代碼留下了足夠的空間。實際上，PIC16HV785單片機中還有足夠的未用外設(shè)，可用來實現(xiàn)其它LED驅(qū)動器、電池充電器或開關(guān)電路。