基于低成本微處理器的高亮度LED控制解決方案

高亮度LED（HBLED）在汽車(chē)、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(chē)行業(yè)，HBLED技術(shù)使車(chē)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(kāi)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(zhuān)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(wèn)題，并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。不過(guò)，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(guò)的電流程成正比。該電流通常被稱(chēng)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(chēng)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(wèn)題。

一組HBLED可以同時(shí)通過(guò)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(zhuān)用控制，因此對(duì)于大量HBLED來(lái)說(shuō)費(fèi)用過(guò)高。

高亮度LED（HBLED）在汽車(chē)、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(chē)行業(yè)，HBLED技術(shù)使車(chē)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(kāi)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(zhuān)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(wèn)題，并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。不過(guò)，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(guò)的電流程成正比。該電流通常被稱(chēng)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(chēng)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(wèn)題。

一組HBLED可以同時(shí)通過(guò)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(zhuān)用控制，因此對(duì)于大量HBLED來(lái)說(shuō)費(fèi)用過(guò)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(guò)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(zhuān)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(kāi)關(guān)式電源時(shí)會(huì)變得不夠穩(wěn)定，并且不可能通過(guò)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(kāi)關(guān)式電源的操作，通過(guò)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。

開(kāi)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(jiàn)圖1。

開(kāi)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?，例如CUK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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)模式電源拓?fù)涞腅MC，需要設(shè)置緩沖過(guò)濾器，并將它們添加到開(kāi)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(kāi)/關(guān)時(shí)延。

選擇適當(dāng)?shù)奈⒖刂破饔糜诤懔鱄BLED控制

開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）要求準(zhǔn)確的開(kāi)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(kāi)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(guò)使用ADC和電阻分壓器，可以測(cè)量過(guò)流和過(guò)壓情況下的SMPS輸出電壓及診斷開(kāi)放負(fù)荷。

圖3 嵌入式PID控制框圖

為了控制開(kāi)關(guān)式電源頻率和占空比，可以使用FlexTimer（FTM）模塊;在適合汽車(chē)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(kāi))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(kāi)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(méi)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(chē)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。