開關(guān)式LED調(diào)光驅(qū)動(dòng)器技術(shù)

現(xiàn)在大街上隨處可見的LED顯示屏，還有裝飾用的LED彩燈以及LED車燈，處處可見LED燈的身影，LED已經(jīng)融入到生活中的每一個(gè)角落。開關(guān)式可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器具有顯著的性能并可以精準(zhǔn)控制LED電流，也具有調(diào)光功能，這使終端用戶在降低功耗的同時(shí)制作很好的燈光效果。

8位微控制器可以提供必要的構(gòu)件用來通信、定制和智能控制，核心獨(dú)立外設(shè)集成比單純的模擬或ASIC集成電路能提供更大的靈活性，并能改進(jìn)擴(kuò)大發(fā)光產(chǎn)品的產(chǎn)能并避免同質(zhì)化。具有預(yù)測(cè)故障維修、能量監(jiān)測(cè)、顏色和溫度維修、遠(yuǎn)程通信控制的高級(jí)特性，這使得智能照明解決方案更具吸引力。

盡管LED驅(qū)動(dòng)器比之前的照明方案提供很多優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些小問題，通過本系列的文章我們將了解8位MCU如何消除這些小問題，從而制作出比之前的傳統(tǒng)方案產(chǎn)能更大的高性能開關(guān)式LED驅(qū)動(dòng)方案。

8位微控制器可以單獨(dú)用來控制最多4個(gè)LED通道，這是現(xiàn)成的大多數(shù)LED驅(qū)動(dòng)控制器所不具備的，在圖1(點(diǎn)擊放大)，LED調(diào)光引擎可以通過微控制器外設(shè)中制作出來，這些引擎有獨(dú)立的閉流路來控制開關(guān)式功率變換器，帶有最小化的CPU介入，這使得CPU可以專門運(yùn)行其他重要任務(wù)比如監(jiān)視功能、通信或其他的系統(tǒng)智能。

圖1：8位Microchip微控制器PIC16F1779控制的4個(gè)LED發(fā)光二極管串電路圖

在圖2(點(diǎn)擊放大)，LED驅(qū)動(dòng)器基于電流模式的升壓轉(zhuǎn)換器，由LED調(diào)光引擎控制，該引擎主要包括核心獨(dú)立外設(shè)(CIP)比如互補(bǔ)輸出發(fā)生器(COG)、數(shù)位訊號(hào)調(diào)變器(DSM)、比較器、可編程斜坡發(fā)生器(PRG)、運(yùn)算放大器(OPA)、脈沖寬度調(diào)制器3(PWM3)。片上外設(shè)比如固定電壓穩(wěn)壓器(FVR)、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)、捕捉/比較/PMW(CCP)， 這些核心獨(dú)立外設(shè)(CIP)與片上外設(shè)結(jié)合起來形成整個(gè)引擎。COG提供高頻轉(zhuǎn)換脈沖給MOSFET Q1用來對(duì)LED發(fā)光二極管串進(jìn)行轉(zhuǎn)能和供電，CCP設(shè)定COG輸出的切換時(shí)間，占空比用來保持LED恒定電流并取決于比較器輸出，當(dāng)電壓通過Rsense1超出PRG模塊的輸出時(shí)比較器產(chǎn)生輸出脈沖，PRG的輸入來自O(shè)PA在反饋電路的輸出，當(dāng)占空比大于50%時(shí)PRG作為斜坡補(bǔ)償器而抵消固有的次諧波振蕩。

圖2：LED調(diào)光引擎

帶有Type II補(bǔ)償器的運(yùn)算放大器(OPA)模塊作為帶有誤差信號(hào)放大器(EA)，固定電壓穩(wěn)壓器(FVR)作為數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)的輸入提供參考電壓給基于LED恒定電流參數(shù)的運(yùn)算放大器(OPA)的同相輸入。

為實(shí)現(xiàn)調(diào)光，脈沖寬度調(diào)制器3(PWM3)作為捕捉/比較/PMW(CCP)輸出的調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)MOSFET Q2快速開關(guān)LED ，調(diào)節(jié)可以通過數(shù)位訊號(hào)調(diào)變器(DSM)模塊實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)的輸出信號(hào)供給互補(bǔ)輸出發(fā)生器(COG)。脈沖寬度調(diào)制器3(PWM3)提供帶有可變占空比的脈沖控制驅(qū)動(dòng)器的平均電流從而控制LED的亮度。

LED調(diào)光引擎除了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的LED驅(qū)動(dòng)控制器的功能，還可以解決LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的傳統(tǒng)問題，現(xiàn)在我們來看如何使用LED調(diào)光引擎解決這些傳統(tǒng)的問題。

閃爍變化可能是傳統(tǒng)的開關(guān)式調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器會(huì)產(chǎn)生的問題，閃爍變化要按照人們的需求進(jìn)行，為避免閃爍變化而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的調(diào)光效果，驅(qū)動(dòng)器必須將調(diào)光步驟伴隨著連續(xù)流動(dòng)的效果從100%的高光水平一直降到低光水平，由于LED會(huì)瞬間響應(yīng)電流的變化而沒有阻尼效應(yīng)，因此LED驅(qū)動(dòng)器必須具有足夠的調(diào)光步驟從而在視覺上察覺不到變化，為達(dá)到這種需求，LED調(diào)光引擎采用脈沖寬度調(diào)制器3(PWM3)控制LED的調(diào)光，脈沖寬度調(diào)制器3(PWM3)有16位的分辨率，占空比從100%到0有65536個(gè)步驟，這保證了光水平的平穩(wěn)過渡。

LED色溫變化

LED驅(qū)動(dòng)器也可以調(diào)節(jié)LED的色溫，這種顏色變化可以被人們察覺并衰減LED的高光補(bǔ)償。圖3是傳統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制器(PWM)LED的調(diào)光波形，LED關(guān)閉時(shí)，LED的電流由于輸出電容的遲緩放電而逐漸減小，這可以引起LED色溫的變化和更高的功耗。

圖3：LED調(diào)光波形

輸出電容的遲緩放電可以使用負(fù)荷開關(guān)消除，比如在圖2，電路使用Q2作為符合開關(guān)，LED調(diào)光引擎同時(shí)關(guān)閉互補(bǔ)輸出發(fā)生器(COG)脈沖寬度調(diào)制器(PWM)的輸出和Q2從而切斷減幅電流使LED快速關(guān)閉。

電流調(diào)峰

當(dāng)使用開關(guān)式整流器驅(qū)動(dòng)LED時(shí)，反饋電路是用來配置LED電流，然而在調(diào)光時(shí)如果操作不當(dāng)則反饋電路能產(chǎn)生電流調(diào)峰(見圖3)，再看圖2，當(dāng)LED開啟時(shí)，電流被傳輸給LED，通過Rsense2的電壓供給了誤差信號(hào)放大器(EA)。當(dāng)LED關(guān)閉時(shí)，沒有電流傳輸給LED，Rsense2的電壓變?yōu)?。在這個(gè)調(diào)光時(shí)的斷電時(shí)間，誤差信號(hào)放大器(EA)的輸出增加到最大值并使誤差信號(hào)放大器(EA)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)過度充電。當(dāng)調(diào)節(jié)的PWM再次開啟，在高峰值電流傳輸給LED使其恢復(fù)之前還需要幾個(gè)周期，此電流調(diào)峰會(huì)縮短LED的使用壽命。

為避免這一問題，LED調(diào)光引擎允許PWM3作為運(yùn)算放大器(OPA)的重寫源，當(dāng)PWM3出于低光水平時(shí)，誤差信號(hào)放大器(EA)的輸出是三態(tài)的，并完全斷開了反饋回路的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)并保留了穩(wěn)定反饋的末點(diǎn)作為一次充電存儲(chǔ)在補(bǔ)償電容中，當(dāng)PWM3處于高光水平并且LED再次開啟時(shí)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)再次連接并且誤差信號(hào)放大器(EA)的輸出電壓瞬間猛增到之前的穩(wěn)定狀態(tài)(在PWM3處于低光水平之前)并幾乎立即存儲(chǔ)LED當(dāng)前的設(shè)定值。

完整解決方案

之前提到過LED調(diào)光引擎運(yùn)行有最小化的CPU介入，所以，當(dāng)關(guān)閉其他的任務(wù)只控制核心獨(dú)立外設(shè)(CIP)的LED驅(qū)動(dòng)器時(shí)，CPU還有很多的帶寬去執(zhí)行其他的重要任務(wù)。欠壓鎖定(UVLO)、過壓鎖定(OVLO)、輸出電壓保護(hù)(OOVP)等保護(hù)特性可以在處理傳感的輸入和輸出電壓時(shí)執(zhí)行，這可以確保LED驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行在需要的規(guī)格內(nèi)并且可以保護(hù)LED免于異常的輸入和輸出情況。CPU也能處理傳感器的熱量數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)LED的熱量管理，而且，當(dāng)設(shè)置LED驅(qū)動(dòng)器的調(diào)光水平時(shí)，CPU能處理來自簡(jiǎn)單外部開關(guān)的觸發(fā)器或一個(gè)串行通信的指令。另外，LED驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)能通過監(jiān)視或測(cè)試的串行通信被發(fā)送給外部設(shè)備。

除了以上提到的特性，設(shè)計(jì)者還可以使自己的LED應(yīng)用更加智能，包括通信在內(nèi)，類似DALI或DMX，并管理定制，圖4是使用LED調(diào)光引擎的一個(gè)完整的開關(guān)式LED調(diào)光驅(qū)動(dòng)器方案的樣圖。

圖4：開關(guān)式LED調(diào)光驅(qū)動(dòng)器方案

總結(jié)

LED調(diào)光引擎能可用于制作有效的開關(guān)式LED調(diào)光驅(qū)動(dòng)器，其效果等同于驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED串的性能，用來提供有效的能量源，確保LED的最佳性能，保持了LED的長(zhǎng)使用期限，并使系統(tǒng)更智能。相信在未來的科學(xué)技術(shù)更加發(fā)達(dá)的時(shí)候，LED會(huì)以更加多種類的方式為我們的生活帶來更大的方便，這就需要我們的科研人員更加努力學(xué)習(xí)知識(shí)，這樣才能為科技的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。