基于MC9RS08KA2的高亮度LED應用設計思路

　　發(fā)光二級管(LED)技術(shù)面世已有大約半個(gè)世紀。發(fā)光二級管是一種能在電壓出現偏差時(shí)發(fā)光的半導體設備。由于具有低功率和低電壓運行的特點(diǎn)，該技術(shù)很快應用于各種電子設備的狀態(tài)指示。LED 技術(shù)的使用壽命通常非常長(cháng)，一般可達10 年，遠遠長(cháng)于其它傳統照明技術(shù)(例如白熾燈管和熒光燈管)。這就使人們非常希望將LED 技術(shù)應用到更廣泛的照明應用中。

　　最近面世的新技術(shù)使LED 能夠達到更高的功率水平。LED 能夠達到一瓦特的水平，有些甚至高達5 瓦特，每瓦特能發(fā)出18-44 流明(lumen)的光亮。這種LED設備稱(chēng)為高亮LED(HB-LED)。由于效率方面的明顯改進(jìn)，HB-LED 正被迅速用于多種照明應用。

　　下面是這些應用的一些例子：

　　交通信號燈

　　平面顯示設備的背景照明裝置

　　閃光燈

　　家庭照明

　　HB-LED 具有非線(xiàn)性I-V 特征，非常類(lèi)似于二極管，HB-LED 只能在直流電單向輸送到設備時(shí)才能點(diǎn)亮，一般稱(chēng)之為正向電流IF 。通過(guò)HB-LED 的壓降則稱(chēng)為正向電壓VF。要讓HB-LED 實(shí)現最高亮度，通過(guò)HB-LED 的正向電流必須保持恒定水平。在一般的1W HB-LED 而言，正向電流需保持在大約350mA 的水平，而相應的正向電壓則大約為3.4V，HB-LED 便能達到其最大亮度。

　　正向電流IF 和正向電壓VF 有著(zhù)非常緊密的關(guān)系，VF 出現小的變化亦會(huì )引起IF 發(fā)生較大的改變。HB-LED 驅動(dòng)的理想電源是恒定電源。實(shí)際上，恒定電流通常通過(guò)閉合回路電流控制直流-直流轉換器(DC-DC converter)來(lái)實(shí)現。市場(chǎng)上有很多基于獨立模擬組件、成本相對較低的DC-DC 轉換器解決方案。然而，基于微控制器(MCU)的解決方案可為系統設計帶來(lái)更大的靈活性。除了普通照明以外，這種控制器還能為最終應用提供足夠的處理功能以支持額外的特性。因此它仍然具有較大的吸引力。

　　基于MCU 的設計的部分優(yōu)點(diǎn)如下：

　　(1) 燈光亮度調節和閃爍可以通過(guò)MCU 軟件輕松實(shí)現，而無(wú)需向系統中增裝其它組件。

　　(2) 不同功率或不同品牌的HB-LED 具有不同的特征，MCU 可以通過(guò)軟件編程以滿(mǎn)足不同的驅動(dòng)要求。在這種情況下，照明設備制造商可以減少庫存的類(lèi)型，進(jìn)而簡(jiǎn)化物流處理工作。

　　(3) 許多MCU 具有芯片閃存，可以用于應用中的數據存儲。例如，在實(shí)施燈光亮度控制功能時(shí)，芯片閃存可用于保存亮度級別。每次打開(kāi)燈光時(shí)可以自動(dòng)恢復上一次的亮度級別。

　　(4) 除照明外，MCU 還可以處理幾種功能，如不同類(lèi)型的連接標準(如Zigbee、RS232 和LIN 等)亦可以通過(guò)MCU 芯片模塊輕松實(shí)施。

　　拓撲

　　HB-LED 驅動(dòng)需要恒定電源。它通常需要閉環(huán)控制。有時(shí)系統采用電池供電，電池電壓會(huì )隨時(shí)間而不斷下降。在電池電量全部用完之前，需要反饋控制回路來(lái)保持恒定的驅動(dòng)電流。此外HB-LED 的正向電壓VF 會(huì )隨周?chē)h(huán)境溫度的變化而變化，因此需要閉環(huán)控制來(lái)補償VF 的變化，以便保持正向電流IF 以及HB-LED 亮度的穩定。

　　人們一般采用轉換模式調節方法而不是直線(xiàn)調節方法來(lái)驅動(dòng)HB-LED。開(kāi)關(guān)調節器有著(zhù)更高的功能轉換效率及較適合用于數字設計上。

　　假設電源電壓是高于所需的HB-LED 正向電壓，開(kāi)關(guān)調節器會(huì )通過(guò)電源電壓斬波來(lái)進(jìn)行整流，控制斬波時(shí)的占空比可以控制輸出的平均電流。斬波機制的執行很簡(jiǎn)單，只需使用一個(gè)功率場(chǎng)效應晶體管(MOSFET)充當開(kāi)關(guān)來(lái)斷開(kāi)電源和用電設備之間的電流。MOSFET 由脈寬調制(PWM)輸出控制，其中的斬波頻率亦相等于PWM輸出的頻率。

　　通常情況下，如果電源電壓和所需的負載電流都是恒定的，則不需要任何反饋控制環(huán)路(如圖1 所示)。開(kāi)關(guān)調節器可以通過(guò)調節斬波頻率或其占空比來(lái)控制設備的平均電流。然而有些情況這種拓撲并不適用。如所需設備電流比較大時(shí)，切斷電流會(huì )產(chǎn)生較大的電流尖峰，而這可能會(huì )影響系統的電磁干擾(EMI)性能。

圖1：直接斬波拓撲

　　如果不要讓設備上的電流被切斷，則必須使用能源存儲設備來(lái)確保當電源被切斷時(shí)，電流亦不會(huì )被立刻切斷。一個(gè)明智的選擇是在設備的電路路徑上添加電感。在PWM循環(huán)過(guò)程中，能量保存在電感中。電源被切斷時(shí)，保存的能源釋放出來(lái)，繼續為設備供電。這種拓撲稱(chēng)為buck 變換器(buck converter)。圖2 是常見(jiàn)buck 變換器的示意圖?！?/FONT>

圖2：Buck變換器拓撲

　　Buck變換器

　　Buck 變換器只能用于執行降壓操作，就是當電源電壓是高于所需要的設備電壓時(shí)。如圖2 所示，當電源開(kāi)關(guān)SW1 閉合時(shí)，輸入電壓VIN 連接到電感L 的輸入端。逆向偏壓二極管能確保設備電流在一個(gè)方向上傳輸。與此同時(shí)，電感中保存的能源不斷增加。當電源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電感中保存的電能釋放出來(lái)，電流流經(jīng)二極管持續提供給設備。電感中存儲的電能逐漸減少，設備電流亦開(kāi)始下降。Buck 變換器的主要電能存儲設備是電感。電感的設計必須確保有足夠的電能存儲空間，滿(mǎn)足電源關(guān)閉期間(SW1 打開(kāi))的設備電源要求。對于HB-LED 應用，HB-LED 需在恒定電流下工作，buck 變換器亦被認為只在連續導通狀態(tài)(continuous conduction mode ) 下運行。

　　感應器電流有兩種狀態(tài)：通流狀態(tài)(SW1 閉合)和斷流狀態(tài)(SW1 打開(kāi))。處于通流狀態(tài)時(shí)，電感的電流開(kāi)始直線(xiàn)上升，電流的最大變化可以使用下列公式計算：

　　其中tON 是SW1 閉合的時(shí)間。VOUT 是設備RL上的電壓。同樣，處于斷流狀態(tài)時(shí)，電感電流在SW1 打開(kāi)期間下降，電流的最大變化可以使用以下公式計算：

　　其中tOFF 是SW1 打開(kāi)的時(shí)間。VD 表示二極管上的電壓。假設tON 與tOFF 之和是開(kāi)關(guān)時(shí)間的總長(cháng)短T，那么tON 亦可以計算為：

　　其中D 是閉合時(shí)間的占空比。在理想情況下，逆向二極管的壓降VD 為零，打開(kāi)和關(guān)閉狀態(tài)之間的電感電流之和是恒定的。如公式(4)所示，我們可以很容易地推斷出來(lái)，buck 變換器的輸出電壓增益等于占空比D 而且永遠小于1。

　　公式(1)和(2)定義了輸出負載上的最大紋波電流。如果定義了可接受的紋波電流IL、開(kāi)關(guān)頻率SW1(1/T)、電源電壓VIN 和目標輸出電壓VOUT，則可以通過(guò)公式(1)和(3)計算出所需的電感值。

　　閉環(huán)控制

　　使用 buck 變換器驅動(dòng)HB-LED 時(shí)，系統必須能夠保持恒定的輸出電流。輸出電壓或輸出電流通過(guò)改變電源開(kāi)關(guān)SW1 的占空比直接進(jìn)行控制。非常普遍的做法是采用低歐姆電阻(通常1Ω - 5Ω)作為電流感應器來(lái)監控HB-LED 的正向電流。該電阻將正向電流轉換成電壓，并與恒定參考電壓VREF 進(jìn)行比較。VREF 是預先定義的，而對應于所需的目標負載電流。如果電流感應器電壓高于參考電壓，則表示負載電流高于目標電流。反饋環(huán)路會(huì )減少占空比D 來(lái)驅動(dòng)電源開(kāi)關(guān)。相反，如果電流感應器電壓低于參考電壓，占空比D 則會(huì )增加。圖3 為閉環(huán)控制buck 變換器的示意圖。

圖3：閉環(huán)控制buck變換器

　　在某些情況下，電源電壓VIN 并不穩