采用混合信號高電壓?jiǎn)纹瑱C實(shí)現LED降壓-升壓驅動(dòng)電路

　　LED背景知識 

　　近年來(lái)，LED逐漸成為一種可行的新興光源，它們已經(jīng)不再僅僅用作電子設備的“狀態(tài)指示燈”。技術(shù)進(jìn)步使得LED的發(fā)光效率通?？蛇_白熾燈的三倍多，此外，LED還非常耐用，壽命超過(guò)上萬(wàn)小時(shí)。

　　針對照明應用的大功率LED要采用恒流源驅動(dòng)，一些標準驅動(dòng)電流常常用在不同LED生產(chǎn)商的產(chǎn)品中，其中，350mA和700 mA最為常見(jiàn)。根據串聯(lián)結的類(lèi)型和數量，LED兩端的正向壓降可能不同。許多生產(chǎn)廠(chǎng)商的大功率LED產(chǎn)品都在單個(gè)模塊中集成了多個(gè)結。

　　驅動(dòng)LED的一種簡(jiǎn)單方法是采用串聯(lián)電阻來(lái)限制電流。線(xiàn)性穩壓器或運算放大器也可連接成恒流配置。然而，此類(lèi)線(xiàn)性方法無(wú)法在所需要的功率水平下提供足夠的效率。

　　開(kāi)關(guān)電源（SMPS）為L(cháng)ED驅動(dòng)提供了效率更高的解決方案，它可以將輸入電壓升/降至適當的電平，從而提供所需要的LED電流。系統輸入電壓范圍以及所需要的LED正向壓降決定了對SMPS拓撲結構的選擇。

　　降壓-升壓轉換器

　　當供電電壓高于或低于需要的輸出電壓時(shí)，使用降壓-升壓轉換器結構。對于電池應用來(lái)說(shuō)，降壓-升壓轉換器非常有用。降壓-升壓結構還稱(chēng)為反激式(fly-back)變壓器或逆變穩壓器。

　　降壓-升壓轉換器可按圖1的方式實(shí)現。這種實(shí)現方案的優(yōu)點(diǎn)是可使用簡(jiǎn)單的低端MOSFET驅動(dòng)器電路，它的拓撲結構將產(chǎn)生相對于輸入電壓軌的正電壓，這一降壓-升壓實(shí)現方案的缺點(diǎn)是負載并未以電路地為基準。

　　采用PIC16HV785的電路實(shí)現方案

　　圖2顯示了LED驅動(dòng)電路的簡(jiǎn)單設計方案，其中采用了一片混合信號高電壓8位單片機，如PIC16HV785。  該電路的輸出相對于電池電壓，而非地電位。逆變器的輸出連接到LED的陽(yáng)極，產(chǎn)生的電壓值高于輸入電壓。

　　PIC16HV785混合信號單片機集成了一個(gè)8位單片機內核和多個(gè)片上模擬外設，包括：

　　一個(gè)高速雙相位PWM電路，對于開(kāi)關(guān)電源的電流模式控制非常適合。 

　　兩個(gè)片上運放，可用于放大電流檢測電阻兩端的電壓。這樣可以采用極小阻值的檢測電阻，從而可以降低電路損耗并提高電路的總效率。 

　　一個(gè)高電壓分流穩壓器，在輸入電壓更高時(shí)也不需要外部5V穩壓器。 

　　一個(gè)數字捕捉、比較和PWM(CCP)模塊。 

　　兩個(gè)模擬比較器。 

　　一個(gè)10位A/D轉換器。 

　　內部時(shí)鐘電路，工作頻率8MHz。 

　　一個(gè)內部精確電壓參考源，不需要昂貴的外部器件。 

　　一個(gè)可編程欠壓復位(BOR)電路。 

　　運放和比較器的所有引腳都可以通過(guò)外部訪(fǎng)問(wèn)，因此可以實(shí)現任意電路配置。

　　電流檢測電路

　　電流檢測運放連接成差分放大器，以精確測量電流、檢測電阻兩端的電壓。為簡(jiǎn)化電路要求，在電源返回路徑上進(jìn)行電流測量。R1、R2和C1構成一個(gè)低通濾波器，用來(lái)降低可能存在的開(kāi)關(guān)噪聲。為避免影響控制環(huán)的響應，該濾波器的截止頻率必須大于電壓轉換器的開(kāi)關(guān)頻率。

　　穩流電路

　　穩定LED電流流量的電路由雙相位PWM模塊、內部比較器和一個(gè)參考電壓源構成。雙相位PWM模塊是按置位/復位原理工作的“模擬”式PWM模塊。首先，從系統時(shí)鐘產(chǎn)生的一個(gè)時(shí)鐘信號用來(lái)周期性地開(kāi)啟PWM輸出。PWM時(shí)鐘信號確定基本的PWM頻率。然后，當達到指定的參考電平時(shí)，來(lái)自一個(gè)片上比較器的復位信號會(huì )關(guān)斷PWM輸出。

　　放大后的電流信號內部連接到PIC16HV785中比較器1的正輸入端。PWM模塊使用PIC16HV785 器件中的捕捉比較外設（CCP1）來(lái)產(chǎn)生比較器所需要的參考電壓。采用PWM可以更精細地控制比較器參考電壓。利用RC濾波器對PWM信號進(jìn)行濾波，從而獲得一個(gè)模擬電壓并將它輸送給比較器的負輸入端。

　　軟件實(shí)現方案

　　這一應用的軟件部分非常簡(jiǎn)單，因為L(cháng)ED電流控制功能是采用模擬方式完成的。一旦所有外設被設為使能，并且正確設置了電流參考值，那么不需要軟件干預，LED就會(huì )持續發(fā)光。 

　　然后，應用程序代碼可以測量供電電壓(利用片上集成的10位A/D轉換器）和供電電流，從而保證驅動(dòng)LED工作在恒定功率模式。隨著(zhù)電池輸入電壓的變化，D/A電路（采用CCP外設實(shí)現)將產(chǎn)生新的參考電壓值進(jìn)行補償。

　　設置LED亮度

　　由于單片機內核在穩定功率方面僅需要花費很小一部分時(shí)間，因此更多的時(shí)間可用于用戶(hù)界面以及提供更多功能，如電池狀態(tài)監控和亮度控制。利用這一電路及軟件調整LED亮度有兩種方法。其中一種技術(shù)基于LED亮度隨驅動(dòng)電流而變化的原理，事實(shí)上，利用這種方法可以實(shí)現近似線(xiàn)性的LED亮度控制。然而改變電流實(shí)現調光并非控制LED亮度的最高效方法，只有在生產(chǎn)商指定的最大驅動(dòng)電流水平下，LED才能夠達到最高的發(fā)光效率。

　　可利用一個(gè)低頻PWM信號來(lái)調制LED驅動(dòng)電流。采用這種方法，電流并未減小，即在點(diǎn)亮時(shí)，LED始終通過(guò)最大電流。但PWM信號的占空比設定了LED點(diǎn)亮的平均時(shí)間。PWM頻率要選擇得足夠高，以使LED電流的開(kāi)關(guān)速率足夠快，從而使人眼感受不到光在閃爍；同時(shí)，PWM頻率也要足夠低，這樣穩流電路在PWM導通時(shí)間內就有足夠的時(shí)間穩定。如果這些條件都能夠滿(mǎn)足，那么人眼會(huì )對一段時(shí)間內的LED的光輸出進(jìn)行平均。PWM調光信號的頻率通常在60Hz 到 1000Hz之間。

　　總結

　　PIC16HV785幾乎包含了實(shí)現大功率LED驅動(dòng)電路所需要的元器件。根據輸入電壓范圍，可以方便地配備成升壓或降壓-升壓工作模式。這一應用僅使用了單片機RAM和閃存的一小部分，為其他用戶(hù)應用程序代碼留下了足夠的空間。實(shí)際上，PIC16HV785單片機中還有足夠的未用外設，可用來(lái)實(shí)現其它LED驅動(dòng)器、電池充電器或開(kāi)關(guān)電路。