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[導(dǎo)讀] 高亮度LED(HBled)在汽車、消費(fèi)電子和工業(yè)市場(chǎng)正在快速普及。 色彩絢麗、壽命長(zhǎng)、能源效率高,這些是高亮度LED成為照明應(yīng)用未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的部分原因。 在汽車行業(yè),HBLED技術(shù)使車輛在造型、安全、燃油的經(jīng)濟(jì)性方

   高亮度LED(HBled)在汽車、消費(fèi)電子和工業(yè)市場(chǎng)正在快速普及。 色彩絢麗、壽命長(zhǎng)、能源效率高,這些是高亮度LED成為照明應(yīng)用未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的部分原因。

  在汽車行業(yè),HBLED技術(shù)使車輛在造型、安全、燃油的經(jīng)濟(jì)性方面與眾不同,從簡(jiǎn)單的開關(guān)照明、LCD背光到亮度極高的頭燈應(yīng)用都包括在內(nèi)。但是,高效、可靠地控制HBLED的亮度,不是一件容易的事情;功率級(jí)效率,熱設(shè)計(jì)和EMC是涉及HBLED的應(yīng)用中最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)難題。 通常情況下,使用專用恒定電流驅(qū)動(dòng)器(CCD)來(lái)驅(qū)動(dòng)HBLED串來(lái)解決大部分重要設(shè)計(jì)問題,并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。不過,CCD通常比基于微控制器的解決方案更貴。本文介紹使用8位微控制器(MCU)和低成本的分離解決方案來(lái)實(shí)施智能HBLED照明控制,從而避免使用高昂的模擬驅(qū)動(dòng)或CCD。

    高亮度LED的重要特征

    正如在低強(qiáng)度LED中的情況一樣,高亮度LED的發(fā)光強(qiáng)度與通過的電流程成正比。該電流通常被稱作正向電流(IF),在HBLED中的范圍是100mA~1000mA。 同時(shí),每當(dāng)HBLED進(jìn)行極化時(shí),都會(huì)出現(xiàn)壓降,稱為正向電壓(VF)。在HBLED中,光度和色度與IF成正比,因此對(duì)通過HBLED的電流進(jìn)行精確控制顯得至關(guān)重要。

    具有相同部件號(hào)和技術(shù)規(guī)范的HBLED,不一定擁有完全相同的VF值。當(dāng)通過兩個(gè)HBLED的電流IF相同時(shí),它們的后向電壓VF可能不同。 因此,通過恒定電壓的方式控制LED強(qiáng)度,可能會(huì)導(dǎo)致HBLED和HBLED之間的密度不同,并且要確保所有HBLED具有相同亮度,則必須提供一個(gè)電流控制。

    不僅發(fā)光強(qiáng)度與通過HBLED的電流有關(guān),色度也與HBLED電流有關(guān)。 為了保持HBLED顏色,HBLED必須采用恒定電流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。本解決方案將使用PWM(脈寬調(diào)制),從而在HBLED(光照強(qiáng)度)中提供一個(gè)更低的平均電流,而同時(shí)還能保持相同的瞬時(shí)電流(LED顏色)。

    隨著HBLED電流增加,功耗也將增加。電流為350mA。壓降為3V的HBLED大約會(huì)消耗1瓦的電,如果不進(jìn)行正確的熱管理,這種耗散可能會(huì)導(dǎo)致HBLED過熱和長(zhǎng)期性能下降。熱設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要方面是,HBLED發(fā)光強(qiáng)度與LED結(jié)溫成反比,隨著溫度增加,發(fā)射器的顏色會(huì)進(jìn)入更高的波長(zhǎng)。

    驅(qū)動(dòng)高亮度LED所面臨的難題

    在低強(qiáng)度LED中,使用電阻來(lái)限制IF電流非常普遍。 在HBLED中,電阻的額定功率必須更高,這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)效率低下。 因此,在HBLED系統(tǒng)中,開關(guān)模式電源(SMPS)被用來(lái)提高效率和降低功耗。由于SMPS需要能源存儲(chǔ)組件(電感器和電容器),因此價(jià)格通常更貴;同時(shí),SMPS還可能造成噪音或EMI問題。

    一組HBLED可以同時(shí)通過并聯(lián)或串聯(lián)方式驅(qū)動(dòng),并聯(lián)驅(qū)動(dòng)使每個(gè)HBLED有不同的光照強(qiáng)度,但如果需要一個(gè)控制回路,每個(gè)HBLED會(huì)要求一個(gè)專用控制,因此對(duì)于大量HBLED來(lái)說(shuō)費(fèi)用過高。

    以并聯(lián)方式連接HBLED時(shí),每個(gè)燈串只需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)和控制回路,穿過串聯(lián)中所有HBLED的電流都相同,從而為它們提供相對(duì)恒定的亮度。 根據(jù)串聯(lián)的LED數(shù)量,線路穿要求的電壓可能低于或高于輸入電壓。

    采用基于微控制器的解決方案

    市場(chǎng)上有大量用來(lái)驅(qū)動(dòng)HBLED恒定電流的解決方案,其中一部分基于專用智能模擬驅(qū)動(dòng),另一部分使用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)或帶獨(dú)立模擬驅(qū)動(dòng)的微控制器。

    人們普遍認(rèn)為,基于MCU的解決方案不是執(zhí)行HBLED恒流控制的最好方法,特別是系統(tǒng)采用分離元件構(gòu)建的開關(guān)式電源時(shí)會(huì)變得不夠穩(wěn)定,并且不可能通過EMC認(rèn)證。 飛思卡爾半導(dǎo)體公司現(xiàn)已創(chuàng)建了一款用于雙燈串HBLED照明控制的設(shè)計(jì)樣例。該HBLED基于S08MP16八位微控制器,MCU負(fù)責(zé)測(cè)量來(lái)自LED燈串的電流饋電,使用PID控制算法進(jìn)行處理,從而控制獨(dú)立的降壓升壓開關(guān)式電源的操作,通過HBLED燈串確保最佳電流流量。

    該微控制器還負(fù)責(zé)監(jiān)控用戶輸入、電池電壓和溫度傳感器,診斷實(shí)時(shí)的LED電源供應(yīng)狀態(tài),一些特別的通信功能,如LIN功能也可以在同一個(gè)微控制器中實(shí)施。[!--empirenews.page--]

    開關(guān)式電源用來(lái)提供到HBLED的電源,它是離散降壓升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可以在1到18個(gè)LED燈串范圍(0V?65V的連續(xù)范圍)內(nèi)操作,并且在頻率為350kHz時(shí)運(yùn)行500mA的輸出電流。應(yīng)用框圖見圖1。

    開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)面臨的難題

    對(duì)于大量HBLED,需要提供降壓升壓電源,以便感應(yīng)高于或低于電池電壓(VBAT)的輸出電壓( VOUT )。

    現(xiàn)在有許多降壓升壓拓?fù)淇梢允褂茫鏑UK電路或SEPIC轉(zhuǎn)換器,每個(gè)拓?fù)湓谝蟮脑?shù)量、正負(fù)電壓基準(zhǔn)和效率方面具有不同的要求和各自的優(yōu)勢(shì)。

    在本設(shè)計(jì)中選用的開關(guān)模式電源組合了一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器,它們使用共同的電感器和電容器,將操作模式從降壓變成升壓或從升壓變成降壓需要取決于晶體管Q1和Q2的狀態(tài),如圖2所示。

    該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)降低了成本,不需要額外的電感器和電容器。此外,根據(jù)開關(guān)模式電源運(yùn)行的模式,它的傳遞函數(shù)減少為一個(gè)共用降壓或升壓轉(zhuǎn)換器,從而從控制的角度簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

    為了控制使用獨(dú)立開關(guān)模式電源拓?fù)涞腅MC,需要設(shè)置緩沖過濾器,并將它們添加到開關(guān)晶體管Q1和Q2上;且需要在兩通道間將軟件控制策略設(shè)為中心對(duì)齊PWM和開/關(guān)時(shí)延。[!--empirenews.page--]

    選擇適當(dāng)?shù)奈⒖刂破饔糜诤懔鱄BLED控制

    開關(guān)模式電源(SMPS)要求準(zhǔn)確的開關(guān)頻率和占空比,PWM信號(hào)抖動(dòng)會(huì)反映在輸出電壓,進(jìn)而反映在HBLED強(qiáng)度中。同時(shí),為了節(jié)省感應(yīng)器成本和電容器大小,必須將開關(guān)頻率提高為數(shù)萬(wàn)赫茲。模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率和通道可用性,對(duì)于隨時(shí)監(jiān)測(cè)和控制HBLED電流和電壓也很重要。

    為了實(shí)現(xiàn)HBLED恒流控制,S08MP16測(cè)量反映在電流檢測(cè)電阻里的HBLED燈串電流,這個(gè)電阻與HBLED燈串進(jìn)行串聯(lián)。 S08MP16嵌入式12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,可以使用小電阻值,功耗極小。此外,通過使用ADC和電阻分壓器,可以測(cè)量過流和過壓情況下的SMPS輸出電壓及診斷開放負(fù)荷。

           圖3 嵌入式PID控制框圖

    為了控制開關(guān)式電源頻率和占空比,可以使用FlexTimer(FTM)模塊;在適合汽車版本中使用高達(dá) 40MHz的定時(shí)器操作頻率,可以生成高頻率和高分辨率的脈沖寬度調(diào)制(PWM),每個(gè)燈串上可與更多HBLED一起操作,在進(jìn)行小型操作時(shí)不會(huì)出現(xiàn)HBLED強(qiáng)度不穩(wěn)定的情況。此外,可編程時(shí)延模塊(PDB)用于在該應(yīng)用程序中,可以將ADC讀數(shù)與PWM 切換頻率同步,從而確保只有在ON(開)狀態(tài)下電流出現(xiàn)穩(wěn)定時(shí)才會(huì)顯示ADC讀數(shù)。

    如何計(jì)算八位微控制器的恒流控制算法

    在大部分情況下,簡(jiǎn)單的控制回路就能確保HBLED的正確驅(qū)動(dòng);借助閉環(huán)控制,該模塊能補(bǔ)償電池電壓、溫度或在開環(huán)中可能影響到HBLED電流的任何其他參數(shù)變化。

    進(jìn)行恒流控制時(shí),該模塊提供在規(guī)定電壓保持HBLED燈串所需的電壓,這也使得每個(gè)燈串上的HBLED數(shù)目可以靈活設(shè)置,不需要進(jìn)一步的校準(zhǔn)和硬件更改。

    要在8位微控制器中集成控制回路,應(yīng)避免使用浮點(diǎn)庫(kù);在本例中,可以使用16位變量來(lái)完成計(jì)算。

    結(jié)論

    要驅(qū)動(dòng)HBLED很簡(jiǎn)單,但要在不提高成本的情況下高效、可靠地驅(qū)動(dòng)HBLED,則沒那么簡(jiǎn)單。而使用8位低成本微處理器,只要它有正確的外設(shè),就可以節(jié)省成本,并能高效、可靠地驅(qū)動(dòng)HBLED。硬件和固件設(shè)計(jì)對(duì)于確保HBLED應(yīng)用在模塊預(yù)期的使用周期期內(nèi)表現(xiàn)出預(yù)期的性能至關(guān)重要。

    盡管本文的設(shè)計(jì)針對(duì)的是汽車應(yīng)用,但這些概念和解決方案可以在使用HBLED的許多其他工業(yè)和消費(fèi)電子應(yīng)用中使用。

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