基于PIC微控制器的LED驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

1 引言

　　led作為一種供電電壓低，功耗小，壽命長，無輻射的新型光源，應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，成為固態(tài)照明的關(guān)鍵光源。許多固態(tài)照明應(yīng)用常采用智能控制電路系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)LED以履行各種功能和任務(wù)，譬如為確保流經(jīng)LED的電流不受供電電壓波動(dòng)的影響維持恒定，從而使LED的亮度無明顯變化的亮度調(diào)節(jié)就是控制電路系統(tǒng)的任務(wù)之一。亮度調(diào)節(jié)涉及電流調(diào)整與調(diào)光控制?？刂齐娐废到y(tǒng)的另一任務(wù)是失效識(shí)別。因LED具有很強(qiáng)的溫度相關(guān)性，大多失效又與溫度有關(guān)，故控制電路系統(tǒng)應(yīng)能履行溫度補(bǔ)償。此外，通過硬件選擇以適應(yīng)不同亮度LED組合的驅(qū)動(dòng)也極必要。一塊芯片上可集成全部必要硬件功能的PIC微控制器，由于價(jià)格低廉，時(shí)鐘頻率高達(dá)20MHz，功耗極低和工作溫度范圍寬等特點(diǎn)，非常適合作LED的驅(qū)動(dòng)控制電路。本文即討論以PIC微控制器為控制單元設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)控制電路的一些考慮。
 

　　2 PIC微控制器

　　PIC即可編程中斷控制器（ProgrammableInterruptController），一類可利用電或紫外光擦除與重寫的多功能集成器件。圖1為微芯（Microchip）公司PIC微控制器典型的功能框圖。

　　2  LED配置

    圖2為以每個(gè)LED一個(gè)電阻構(gòu)成的LED列陣連接。圖中每個(gè)LED擁有各自的電阻，這些電阻可作調(diào)節(jié)二極管電流的基準(zhǔn)電阻用。

　　譬如，若某個(gè)LED失效，則非串聯(lián)情況下的其余LED仍繼續(xù)運(yùn)作，但由于總電流可在剩余的三條通路中分配，故失效將導(dǎo)致并聯(lián)二極管中的電流增多，引起亮度的不均勻分布，不過亮度的損失根本上可由與失效器件同一通路中其余LED的電流增加得到補(bǔ)償。

　　4 驅(qū)動(dòng)器的控制功能

　　4.1 調(diào)光

　　調(diào)光是驅(qū)動(dòng)器控制最基本的功能，通過調(diào)光產(chǎn)生不同的LED亮度等級(jí)。采用脈寬調(diào)制（PWM：pulsewidthmodulation）是解決調(diào)光的簡單辦法。PWM信號(hào)實(shí)際上就是周期切換直流電壓的通斷，故利用微處理器內(nèi)置的PWM模塊即可方便設(shè)定和控制PWM信號(hào)。如果周期維持不便，亮度則可以利用脈沖的持續(xù)長度，即占空比D來調(diào)節(jié)。采用PWM信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是可以保持峰值電流恒定，從而可以防止由于峰值電流升高產(chǎn)生如諸如InGaN器件中波長移位之類的負(fù)作用。[!--empirenews.page--]4.2 電流調(diào)整

　　驅(qū)動(dòng)器控制的第二個(gè)功能是應(yīng)使LED的亮度保持不變。為保證LED亮度不變，則流經(jīng)LED的電流必須恒定。這就要求各單個(gè)LED流經(jīng)的電流都是確定的。為測定流經(jīng)二極管的電流，每個(gè)二極管都要采用串聯(lián)電阻。通過測量電阻兩端的電壓可測出電阻流經(jīng)的電流，因此便可確定流經(jīng)LED的電流。電壓測量由PIC中電壓高達(dá)5V，并可與恒定基準(zhǔn)電壓比較的A/D模塊執(zhí)行。但A/D模塊不能直接連接到串聯(lián)電阻兩端，一方面這是因?yàn)殡妷旱碾娖娇赡苓h(yuǎn)高于5V，另外，就是PWM信號(hào)必須首先轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)。經(jīng)過2次測量和隨后的相減會(huì)產(chǎn)生雙倍測量誤差。建議采用圖3所示消除雙倍測量誤差問題的電流測量電路。

　　采用該電路時(shí)，凡正輸入電壓與U1相接，負(fù)輸入電壓與U2相接。圖中U1和U2信號(hào)由RC元件轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)再與運(yùn)放連接。運(yùn)放可利用各種電阻配置成減法器。就該電路而言，U1的直流電壓將從U2減去，A/D模塊測得的就是其差。這能使控制器對電流的變化做出反應(yīng)。由于運(yùn)算放大器具有非常高的輸入阻抗，故系統(tǒng)不會(huì)受測量電路影響。

　　4.3 溫度測量

　　然而由于受溫度的影響，即使電流不變，亮度也會(huì)變化。圖4所示即亮度與溫度的相互關(guān)系：

　　為在整個(gè)極端溫度范圍內(nèi)維持亮度恒定，必須采用溫度補(bǔ)償?？紤]到環(huán)境溫度的測量應(yīng)盡可能低廉，對二極管而言，補(bǔ)償精度要求不高，容差5°C已經(jīng)足夠。下面給出兩種可能的溫度測量方法：

　　4.3.1 采用溫度相關(guān)型電阻進(jìn)行溫度測量

　　首先選一個(gè)溫度相關(guān)型電阻與一個(gè)溫度不相關(guān)電阻串聯(lián)。通過A/D模塊測量電壓，溫度便能確定，控制器即可作出相應(yīng)反應(yīng)。該法的缺點(diǎn)是必須在PIC中以數(shù)值表形式保存電阻的響應(yīng)曲線。

　　4.3.2 利用門限定時(shí)器測量溫度

　　該法利用了PIC門限定時(shí)器模塊的阻礙作用。門限定時(shí)器模塊由受內(nèi)部RC振蕩器調(diào)節(jié)的8位定時(shí)器組成。通常，定時(shí)器在后臺(tái)運(yùn)行且常被微處理器重置，如果控制器因差錯(cuò)或陷進(jìn)死循環(huán)。就能重新回到設(shè)定狀態(tài)。但所用RC振蕩器應(yīng)與溫度相關(guān)。如采用外部溫度補(bǔ)償?shù)臅r(shí)鐘發(fā)生器，則可通過比較兩個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器來確定溫度。利用門限定時(shí)器測量溫度不需要外部元件，只是PIC制造商不能保證門限定時(shí)器的溫度相關(guān)性。

　　4.4 故障識(shí)別

　　當(dāng)然，LED不工作時(shí)，亮度調(diào)節(jié)就沒有用處。下面介紹一種檢測陣列中單個(gè)LED對總故障貢獻(xiàn)的方法。故障識(shí)別可以采用以前用于檢測電流的電路。LED總的故障就是導(dǎo)致通道中斷，因此造成串聯(lián)電阻無電流通過。由于昂貴的元件費(fèi)用和所涉及裝備的限制，自然不可能對每個(gè)二極管都添加電流檢測電路。該問題此處采用了能使每個(gè)二極管都被選取并與測量電路相連的多路復(fù)用開關(guān)來解決。圖5所示為含三個(gè)二極管電路采用多路復(fù)用開關(guān)故障識(shí)別技術(shù)的描述。

　　多路開關(guān)可通過微控制器進(jìn)行數(shù)字控制。為確定電流調(diào)節(jié)二極管流經(jīng)的電流和幫助識(shí)別故障，每個(gè)LED都標(biāo)有可供PIC選用的地址。

　　4.5 不同亮度組的調(diào)節(jié)

　　由調(diào)節(jié)不同亮度組構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)是一種附加選項(xiàng)。對于眾多LED來說，必須注意將同類型的LED分成各種不同亮度的組。亮度不同組的使用導(dǎo)致LED流經(jīng)相同電流產(chǎn)生的亮度不同。亮度可用PWM信號(hào)調(diào)節(jié)?？删幊痰妮斎?輸出引腳即為無須重新編配控制器的調(diào)節(jié)方法而提供。因各獨(dú)立的亮度組均由數(shù)字選定，故要區(qū)分所有數(shù)字標(biāo)志的亮度組，必須有足夠多輸入引腳。例如，3個(gè)輸入引腳，則可區(qū)分23=8個(gè)亮度組。于是根據(jù)輸入引腳的組態(tài)（高或低），便可指定控制器輸入處的數(shù)目選定相應(yīng)的亮度組，其亮度因此也可調(diào)節(jié)。圖6所示為3個(gè)輸入引腳可用8個(gè)不同亮度組的示例。根據(jù)電阻R1X-R3X的值、微控制器的輸入端將接收到大于4V的高電平信號(hào)或小于1V低電平信號(hào)，從而選定對應(yīng)的亮度組。

　　綜合以上考慮，可得圖7所示驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖：