高性能LED調(diào)光引擎技術(shù)

繁華的城市離不開LED燈的裝飾，相信大家都見過LED，它的身影已經(jīng)出現(xiàn)在了我們的生活的各個(gè)地方，也照亮著我們的生活。開關(guān)模式可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器憑借其高效性以及對(duì)LED電流的精確控制而聞名。這類LED驅(qū)動(dòng)器還可以提供調(diào)光功能，使得最終用戶在營(yíng)造奇幻燈光效果的同時(shí)有效降低自身功耗。

基于8位單片機(jī)(MCU)的解決方案可針對(duì)此類應(yīng)用提供必要的模塊，從而實(shí)現(xiàn)通信、定制和智能控制功能。此外集成的獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)，與純模擬或ASIC實(shí)現(xiàn)相比可顯著提升靈活性，擴(kuò)展照明產(chǎn)品功能的同時(shí)塑造產(chǎn)品差異化，從而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。這類智能照明解決方案具備故障預(yù)測(cè)和維護(hù)、能量監(jiān)測(cè)，色溫維持以及遠(yuǎn)程通信和控制等功能，功能之豐富不勝枚舉，并且將因此而倍受青睞。

雖然LED驅(qū)動(dòng)器與先前的照明解決方案相比具備諸多優(yōu)勢(shì)，但其實(shí)現(xiàn)過程中也會(huì)面臨許多挑戰(zhàn)。但您不必?fù)?dān)心，閱讀完本文章后，您將會(huì)了解如何使用8位MCU來輕松應(yīng)對(duì)這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，從而打造出高性能的開關(guān)模式LED驅(qū)動(dòng)解決方案，功能之豐富令傳統(tǒng)解決方案只能望其項(xiàng)背。

8位單片機(jī)可獨(dú)立控制最多四個(gè)LED通道，這是大多數(shù)現(xiàn)成LED驅(qū)動(dòng)器控制器所不具備的一項(xiàng)獨(dú)特能力。在圖1中，LED調(diào)光引擎可由單片機(jī)中提供的外設(shè)構(gòu)成。這些引擎均具有獨(dú)立的封閉通道，極少需要甚至不需要中央處理單元(CPU)干預(yù)即可控制開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器。這樣可以釋放CPU以執(zhí)行其他重要任務(wù)，比如系統(tǒng)中的監(jiān)控功能、通信功能或新增的智能功能。

圖1：通過Microchip的PIC16F1779 8位單片機(jī)控制四個(gè)LED串的圖示

LED調(diào)光引擎

在圖2中，基于電流模式升壓轉(zhuǎn)換器的LED驅(qū)動(dòng)器由LED調(diào)光引擎控制。該引擎主要由互補(bǔ)輸出發(fā)出發(fā)生器(COG)、數(shù)字信號(hào)調(diào)制器(DSM)、比較器、可編程斜坡發(fā)生器(PRG)、運(yùn)算放大器(OPA)和脈寬調(diào)制器3(PWM3)等獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)(CIP)組成。這些CIP與固定穩(wěn)壓器(FVR)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和捕捉/比較/PWM(CCP)等其他片上外設(shè)一起組成完整的引擎。COG將高頻開關(guān)脈沖提供給MOSFET Q1，從而將能量和供電電流傳輸給LED串。COG輸出的開關(guān)周期通過CCP和占空比設(shè)置，用于維持LED恒定電流，具體取決于比較器輸出。每當(dāng)Rsense1兩端的電壓超過PRG模塊的輸出時(shí)，比較器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖。PRG的輸入源自反饋電路中的OPA輸出，它被配置為斜率補(bǔ)償器，以在占空比大于50%時(shí)抵消固有次諧波振蕩的影響。

OPA模塊實(shí)現(xiàn)為具有II型補(bǔ)償器配置的誤差放大器(EA)。FVR用作DAC輸入，根據(jù)LED恒定電流規(guī)范為OPA同相輸入提供參考電壓。為了實(shí)現(xiàn)調(diào)光目的，PWM3用作CCP輸出的調(diào)制器，同時(shí)驅(qū)動(dòng)MOSFET Q2以使LED快速循環(huán)亮起和熄滅。調(diào)制操作可通過DSM模塊來完成，調(diào)制后的輸出信號(hào)饋送到COG。PWM3可提供占空比可變的脈沖，用于控制驅(qū)動(dòng)器的平均電流，實(shí)際上控制的是LED的亮度。

LED調(diào)光引擎不僅可以實(shí)現(xiàn)典型LED驅(qū)動(dòng)器控制器的功能，而且還具備解決LED驅(qū)動(dòng)器典型問題的能力?，F(xiàn)在，我們將探討這些問題并分析如何使用LED調(diào)光引擎來加以避免。

圖2.LED調(diào)光引擎

頻閃

頻閃是典型開關(guān)模式可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器可能面臨的挑戰(zhàn)之一。雖然精心策劃的頻閃會(huì)帶來有趣的效果，但如果LED發(fā)生意外頻閃，則會(huì)破壞用戶期望的燈光設(shè)計(jì)。為了避免頻閃并提供平滑調(diào)光體驗(yàn)，應(yīng)確保驅(qū)動(dòng)器從最高檔位(即100%燈光輸出)一直到最低檔位的調(diào)光效果都是連續(xù)流暢的。由于LED會(huì)瞬間響應(yīng)電流變化并且不具有阻尼效果，因此驅(qū)動(dòng)器必須具有足夠多的調(diào)光檔位才能確保人眼察覺不到變化。為了滿足這一要求，LED調(diào)光引擎采用PWM3來控制LED的調(diào)光。PWM3是16位分辨率的PWM，從100%到0%占空比共有65536個(gè)檔位，可保證亮度平滑切換。

LED色溫轉(zhuǎn)換

LED驅(qū)動(dòng)器還可以轉(zhuǎn)換LED的色溫。 此顏色變化是人眼能夠察覺得到的，削弱了客戶對(duì)享受優(yōu)質(zhì)LED照明體驗(yàn)的主張。圖3給出了典型的PWM LED調(diào)光波形。當(dāng)LED熄滅時(shí)，由于輸出電容緩慢放電，LED電流會(huì)逐漸減小。此事件會(huì)導(dǎo)致LED發(fā)生色溫漂移且功耗增大。

圖3.LED調(diào)光波形

可以使用負(fù)載開關(guān)來防止輸出電容緩慢放電。例如，在圖2中，電路使用Q2作為負(fù)載開關(guān)，LED調(diào)光引擎會(huì)同步關(guān)閉COG PWM輸出和Q2，以便切斷電流衰減路徑，讓LED快速熄滅。

峰值電流

當(dāng)使用開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)LED時(shí)，將采用反饋電路來調(diào)節(jié)LED電流。但是，如果在調(diào)光期間操作不當(dāng)，反饋電路會(huì)產(chǎn)生峰值電流(見圖3)。回顧圖2，當(dāng)LED點(diǎn)亮?xí)r，電流傳輸?shù)絃ED，RSENSE2兩端的電壓饋送到EA。當(dāng)LED熄滅時(shí)，沒有電流傳輸?shù)絃ED，RSENSE2電壓變?yōu)榱?。在此調(diào)暗期間，EA輸出會(huì)增加到最大值，并使EA補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)過充。當(dāng)調(diào)制的PWM再次導(dǎo)通時(shí)時(shí)，如果有高峰值電流驅(qū)動(dòng)到LED，則需要若干個(gè)周期才能恢復(fù)。此峰值電流會(huì)削減LED的使用壽命。

為了避免這一問題，LED調(diào)光引擎允許將PWM3用作OPA的改寫源。當(dāng)PWM3為低電平時(shí)，EA的輸出呈三態(tài)，將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)與反饋回路完全斷開，并將保持最后一個(gè)穩(wěn)定反饋點(diǎn)作為補(bǔ)償電容中存儲(chǔ)的電荷。當(dāng)PWM3為高電平且LED再次點(diǎn)亮?xí)r，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)重新連接，EA輸出電壓立即跳到其先前的穩(wěn)定狀態(tài)(PWM3為低電平之前)，并且?guī)缀趿⒓椿謴?fù)LED電流設(shè)定值。

完整解決方案

如前文所述，LED調(diào)光引擎極少需要甚至不需要CPU干預(yù)即可正常工作。因此，在將所有對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)器的控制工作分配給各個(gè)CIP時(shí)，CPU將具有充足的帶寬來執(zhí)行其他重要任務(wù)。 此外，通過對(duì)檢測(cè)到的輸入和輸出電壓進(jìn)行處理，可以執(zhí)行欠壓鎖定(UVLO)、過壓鎖定(OVLO)和輸出過壓保護(hù)(OOVP)等保護(hù)功能。這樣可確保LED驅(qū)動(dòng)器按照規(guī)范要求工作，并且LED不受異常輸入和輸出條件的影響。CPU還可以處理來自傳感器的溫度數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的熱管理。而且，當(dāng)設(shè)置LED驅(qū)動(dòng)器的調(diào)光級(jí)別時(shí)，CPU可以處理來自簡(jiǎn)單外部開關(guān)或串行通信命令的觸發(fā)信號(hào)。此外，LED驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)可以通過串行通信的方式發(fā)送到外部設(shè)備以進(jìn)行監(jiān)控或測(cè)試。

除了上述功能之外，設(shè)計(jì)師還可以在自己的LED應(yīng)用中盡情添加更多智能功能，包括通信(例如，DALI或DMX)和定制控制功能等。圖4給出了使用LED調(diào)光引擎的完整開關(guān)模式可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器解決方案示例。

圖4.開關(guān)模式可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器解決方案

結(jié)論

LED調(diào)光引擎可用于打造高效型開關(guān)模式可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器。高效性體現(xiàn)在其能夠驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED串、提供高效能源、確保LED達(dá)到最佳性能、維持較長(zhǎng)的LED使用壽命以及在系統(tǒng)中增添智能功能。以上就是LED技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來的LED燈回越來越高效，使用壽命也會(huì)由很大的提升，為我們帶來更大便利。