LED調光引擎：開(kāi)關(guān)式LED調光驅動(dòng)器的8位MCU解決方案

開(kāi)關(guān)式可調光LED驅動(dòng)器具有顯著(zhù)的性能并可以精準控制LED電流，也具有調光功能，這使終端用戶(hù)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件用來(lái)通信、定制和智能控制，核心獨立外設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)擴大發(fā)光產(chǎn)品的產(chǎn)能并避免同質(zhì)化。具有預測故障維修、能量監測、顏色和溫度維修、遠程通信控制的高級特性，這使得智能照明解決方案更具吸引力。

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

8位微控制器可以單獨用來(lái)控制最多4個(gè)LED通道，這是現成的大多數LED驅動(dòng)控制器所不具備的，在圖1，LED調光引擎可以通過(guò)微控制器外設中制作出來(lái)，這些引擎有獨立的閉流路來(lái)控制開(kāi)關(guān)式功率變換器，帶有最小化的CPU介入，這使得CPU可以專(zhuān)門(mén)運行其他重要任務(wù)比如監視功能、通信或其他的系統智能。

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，LED驅動(dòng)器基于電流模式的升壓轉換器，由LED調光引擎控制，該引擎主要包括核心獨立外設(CIP)比如互補輸出發(fā)生器(COG)、數位訊號調變器(DSM)、比較器、可編程斜坡發(fā)生器(PRG)、運算放大器(OPA)、脈沖寬度調制器3(PWM3)。片上外設比如固定電壓穩壓器(FVR)、數字模擬轉換器(DAC)、捕捉/比較/PMW(CCP)， 這些核心獨立外設(CIP)與片上外設結合起來(lái)形成整個(gè)引擎。COG提供高頻轉換脈沖給MOSFET Q1用來(lái)對LED發(fā)光二極管串進(jìn)行轉能和供電，CCP設定COG輸出的切換時(shí)間，占空比用來(lái)保持LED恒定電流并取決于比較器輸出，當電壓通過(guò)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(lái)自OPA在反饋電路的輸出，當占空比大于50%時(shí)PRG作為斜坡補償器而抵消固有的次諧波振蕩。

圖2：LED調光引擎

帶有Type II補償器的運算放大器(OPA)模塊作為帶有誤差信號放大器(EA)，固定電壓穩壓器(FVR)作為數字模擬轉換器(DAC)的輸入提供參考電壓給基于LED恒定電流參數的運算放大器(OPA)的同相輸入。

為實(shí)現調光，脈沖寬度調制器3(PWM3)作為捕捉/比較/PMW(CCP)輸出的調節器驅動(dòng)MOSFET Q2快速開(kāi)關(guān)LED ，調節可以通過(guò)數位訊號調變器(DSM)模塊實(shí)現，調節的輸出信號供給互補輸出發(fā)生器(COG)。脈沖寬度調制器3(PWM3)提供帶有可變占空比的脈沖控制驅動(dòng)器的平均電流從而控制LED的亮度。

LED調光引擎除了實(shí)現傳統的LED驅動(dòng)控制器的功能，還可以解決LED驅動(dòng)器產(chǎn)生的傳統問(wèn)題，現在我們來(lái)看如何使用LED調光引擎解決這些傳統的問(wèn)題。

閃爍變化可能是傳統的開(kāi)關(guān)式調光LED驅動(dòng)器會(huì )產(chǎn)生的問(wèn)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)現平穩的調光效果，驅動(dòng)器必須將調光步驟伴隨著(zhù)連續流動(dòng)的效果從100%的高光水平一直降到低光水平，由于LED會(huì )瞬間響應電流的變化而沒(méi)有阻尼效應，因此LED驅動(dòng)器必須具有足夠的調光步驟從而在視覺(jué)上察覺(jué)不到變化，為達到這種需求，LED調光引擎采用脈沖寬度調制器3(PWM3)控制LED的調光，脈沖寬度調制器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過(guò)渡。

LED色溫變化

LED驅動(dòng)器也可以調節LED的色溫，這種顏色變化可以被人們察覺(jué)并衰減LED的高光補償。圖3是傳統的脈沖寬度調制器(PWM)LED的調光波形，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調光波形

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

電流調峰

當使用開(kāi)關(guān)式整流器驅動(dòng)LED時(shí)，反饋電路是用來(lái)配置LED電流，然而在調光時(shí)如果操作不當則反饋電路能產(chǎn)生電流調峰(見(jiàn)圖3)，再看圖2，當LED開(kāi)啟時(shí)，電流被傳輸給LED，通過(guò)Rsense2的電壓供給了誤差信號放大器(EA)。當LED關(guān)閉時(shí)，沒(méi)有電流傳輸給LED，Rsense2的電壓變?yōu)?。在這個(gè)調光時(shí)的斷電時(shí)間，誤差信號放大器(EA)的輸出增加到最大值并使誤差信號放大器(EA)的補償網(wǎng)絡(luò )過(guò)度充電。當調節的PWM再次開(kāi)啟，在高峰值電流傳輸給LED使其恢復之前還需要幾個(gè)周期，此電流調峰會(huì )縮短LED的使用壽命。