【導(dǎo)讀】開(kāi)關(guān)模式可調(diào)光 LED 驅(qū)動(dòng)器以其高效率和對(duì) LED 電流的控制而聞名。它們還可以提供調(diào)光功能，使終用戶能夠創(chuàng)造出夢(mèng)幻般的照明效果，同時(shí)降低功耗。
開(kāi)關(guān)模式可調(diào)光 LED 驅(qū)動(dòng)器以其高效率和對(duì) LED 電流的控制而聞名。它們還可以提供調(diào)光功能，使終用戶能夠創(chuàng)造出夢(mèng)幻般的照明效果，同時(shí)降低功耗。
8 位微控制器( MCU) 實(shí)現(xiàn)可以提供必要的構(gòu)建塊來(lái)創(chuàng)建支持通信、定制和智能控制的解決方案。此外，與純模擬或 ASIC 實(shí)施相比，獨(dú)立于的外設(shè)集成提供了顯著的靈活性，并實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展照明產(chǎn)品功能并提供產(chǎn)品差異化的創(chuàng)新。預(yù)測(cè)性故障和維護(hù)、能源監(jiān)控、顏色和溫度維護(hù)以及遠(yuǎn)程通信和控制等功能只是使智能照明解決方案更具吸引力的一些先進(jìn)功能。
盡管 LED 驅(qū)動(dòng)器比以前的照明解決方案具有許多優(yōu)勢(shì)，但其實(shí)施過(guò)程中也存在挑戰(zhàn)。但不用擔(dān)心，讀完本文后，您將了解如何使用 8 位 MCU 來(lái)緩解設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)并創(chuàng)建具有超越傳統(tǒng)解決方案功能的高性能開(kāi)關(guān)模式 LED 驅(qū)動(dòng)解決方案。
8 位微控制器可用于獨(dú)立控制多達(dá)四個(gè) LED 通道，這是大多數(shù)現(xiàn)成 LED 驅(qū)動(dòng)器控制器無(wú)法提供的功能。在圖 1 中，LED 調(diào)光引擎可以利用微控制器中可用的外設(shè)來(lái)創(chuàng)建。這些引擎中的每一個(gè)都有一個(gè)獨(dú)立的封閉通道，可以在少甚至無(wú)需中央處理單元（CPU）干預(yù)的情況下控制開(kāi)關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器。這使得 CPU 可以自由地執(zhí)行其他重要任務(wù)，例如監(jiān)控功能、通信或系統(tǒng)中的附加智能。
由 Microchip PIC16F1779 8 位微控制器控制的四個(gè) LED 燈串的示意圖
圖 1：由 Microchip PIC16F1779 8 位微控制器控制的四個(gè) LED 燈串的示意圖
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。該引擎主要由獨(dú)立外設(shè)（CIP）組成，如互補(bǔ)輸出發(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（脈寬調(diào)制3）。將這些 CIP 與其他片上外設(shè)（例如固定電壓調(diào)節(jié)器 (FVR)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 和捕捉/比較/PWM (CCP)）相結(jié)合，即可完成整個(gè)引擎。 COG 向 MOSFET Q1 提供高頻開(kāi)關(guān)脈沖，以允許將能量和電源電流傳輸?shù)?LED 燈串。 COG 輸出的開(kāi)關(guān)周期由 CCP 和占空比設(shè)置，從而保持 LED 恒定電流并由比較器輸出決定。只要 Rsense1 兩端的電壓超過(guò) PRG 模塊的輸出，比較器就會(huì)產(chǎn)生輸出脈沖。 PRG 的輸入源自反饋電路中的 OPA 輸出，被配置為斜率補(bǔ)償器，以抵消占空比大于 50% 時(shí)固有的分諧波振蕩的影響。
OPA 模塊被實(shí)現(xiàn)為具有 II 類補(bǔ)償器配置的誤差放大器 (EA)。 FVR 用作 DAC 輸入，根據(jù) LED 恒流規(guī)范為 OPA 非反相輸入提供電壓參考。
為了實(shí)現(xiàn)調(diào)光，PWM3 用作 CCP 輸出的調(diào)制器，同時(shí)驅(qū)動(dòng) MOSFET Q2 以快速循環(huán) LED 開(kāi)和關(guān)。通過(guò) DSM 模塊進(jìn)行調(diào)制，并將調(diào)制后的輸出信號(hào)饋送到 COG。 PWM3 提供具有可變占空比的脈沖，控制驅(qū)動(dòng)器的平均電流，從而有效控制 LED 的亮度。
LED 調(diào)光引擎不僅可以完成典型 LED 驅(qū)動(dòng)器控制器的功能，而且還具有解決 LED 驅(qū)動(dòng)器帶來(lái)的典型問(wèn)題的功能。現(xiàn)在，我們將介紹這些問(wèn)題以及如何使用 LED 調(diào)光引擎來(lái)避免這些問(wèn)題。
圖 2：LED 調(diào)光引擎
閃爍
閃爍是典型開(kāi)關(guān)模式可調(diào)光 LED 驅(qū)動(dòng)器可能面臨的挑戰(zhàn)之一。雖然故意閃爍可能是一種有趣的效果，但當(dāng) LED 無(wú)意中閃爍時(shí)，它可能會(huì)破壞用戶想要的照明設(shè)計(jì)。為了避免閃爍并提供平滑的調(diào)光體驗(yàn)，驅(qū)動(dòng)器應(yīng)執(zhí)行從 100% 光輸出一直降至低端光水平的調(diào)光步驟，并具有連續(xù)流暢的效果。由于 LED 會(huì)立即響應(yīng)電流變化并且不具有阻尼效應(yīng)，因此驅(qū)動(dòng)器必須具有足夠的調(diào)光步驟，以便眼睛不會(huì)察覺(jué)到變化。為了滿足這一要求，LED 調(diào)光引擎采用 PWM3 來(lái)控制 LED 的調(diào)光。 PWM3 是一款 16 位分辨率 PWM，具有從 100% 到 0% 占空比的 65536 個(gè)步長(zhǎng)，可確保平滑的照明級(jí)別轉(zhuǎn)換。
LED 色溫變化
LED 驅(qū)動(dòng)器還可以改變 LED 的色溫。這種顏色變化可能會(huì)引起消費(fèi)者的注意，并削弱有關(guān) LED 高質(zhì)量照明體驗(yàn)的主張。 圖 3 顯示了典型的 PWM LED 調(diào)光波形。當(dāng) LED 關(guān)閉時(shí)，由于輸出電容緩慢放電，LED 電流逐漸減小。此事件可能導(dǎo)致 LED 色溫變化和更高的功耗。
圖3：LED調(diào)光波形
輸出電容器的緩慢放電可以通過(guò)使用負(fù)載開(kāi)關(guān)來(lái)消除。例如，在圖2中，電路使用Q2作為負(fù)載開(kāi)關(guān)，LED調(diào)光引擎同步關(guān)閉COG PWM輸出和Q2，以切斷衰減電流的路徑并允許LED快速關(guān)閉。
電流峰值
當(dāng)使用開(kāi)關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器來(lái)驅(qū)動(dòng)LED時(shí)，反饋電路用于調(diào)節(jié)LED電流。然而，在調(diào)光期間，如果操作處理不當(dāng)，反饋電路可能會(huì)產(chǎn)生電流峰值（見(jiàn)圖 3）。回顧圖 2，當(dāng) LED 亮起時(shí)，電流會(huì)傳輸?shù)?LED，RSENSE2 兩端的電壓會(huì)饋送到 EA。當(dāng) LED 關(guān)閉時(shí)，沒(méi)有電流傳輸?shù)?LED，RSENSE2 電壓變?yōu)榱恪Ｔ谡{(diào)光關(guān)閉期間，EA 輸出增加到值并對(duì) EA 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)過(guò)度充電。當(dāng)調(diào)制的 PWM 再次打開(kāi)時(shí)，需要幾個(gè)周期才能恢復(fù)，同時(shí)高峰值電流被驅(qū)動(dòng)到 LED。這種電流峰值情況會(huì)縮短 LED 的使用壽命。
為了避免此問(wèn)題，LED 調(diào)光引擎允許將 PWM3 用作 OPA 的覆蓋源。當(dāng) PWM3 為低電平時(shí)，EA 的輸出為三態(tài)，將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)與反饋環(huán)路完全斷開(kāi)，并將穩(wěn)定反饋的一個(gè)點(diǎn)保持為存儲(chǔ)在補(bǔ)償電容器中的電荷。當(dāng) PWM3 為高電平且 LED 再次打開(kāi)時(shí)，補(bǔ)償器網(wǎng)絡(luò)重新連接，EA 輸出電壓立即跳至先前的穩(wěn)定狀態(tài)（在 PWM3 為低電平之前），并幾乎立即恢復(fù) LED 電流設(shè)定值。
完整的解決方案
如前所述，LED 調(diào)光引擎可以在少甚至無(wú)需 CPU 干預(yù)的情況下運(yùn)行。因此，在將控制 LED 驅(qū)動(dòng)器的所有工作卸載到 CIP 的同時(shí)，CPU 還擁有大量帶寬來(lái)執(zhí)行其他重要任務(wù)。通過(guò)處理檢測(cè)到的輸入和輸出電壓，可以執(zhí)行欠壓鎖定 (UVLO)、過(guò)壓鎖定 (OVLO) 和輸出過(guò)壓保護(hù) (OOVP)等保護(hù)功能。這可確保 LED 驅(qū)動(dòng)器在所需規(guī)格內(nèi)運(yùn)行，并保護(hù) LED 免受異常輸入和輸出條件的影響。 CPU 還可以處理來(lái)自傳感器的熱數(shù)據(jù)以實(shí)施 LED 的熱管理。此外，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(lái)自簡(jiǎn)單外部開(kāi)關(guān)的觸發(fā)或來(lái)自串行通信的命令。同時(shí)，LED驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)可以通過(guò)串行通信發(fā)送到外部設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控或測(cè)試。
除了上述功能之外，設(shè)計(jì)人員還可以在自己的 LED 應(yīng)用中添加更多智能，包括DALI或 DMX 等通信以及控制定制。圖 4 顯示了使用 LED 調(diào)光引擎的完整開(kāi)關(guān)模式可調(diào)光 LED 驅(qū)動(dòng)器解決方案的示例。
圖 4：開(kāi)關(guān)模式可調(diào)光 LED 驅(qū)動(dòng)器解決方案
結(jié)論
LED 調(diào)光引擎可用于創(chuàng)建有效的開(kāi)關(guān)模式可調(diào)光 LED 驅(qū)動(dòng)器。效率等同于其驅(qū)動(dòng)多個(gè) LED 燈串、提供高效能源、確保 LED 的性能、保持 LED 的較長(zhǎng)使用壽命以及增加系統(tǒng)智能的能力。
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