基于汽車(chē)應用的高亮度LED控制成本效益的實(shí)現

高亮度LED(HBLED)在汽車(chē)、消費電子和工業(yè)市場(chǎng)正在快速普及。 色彩絢麗、壽命長(cháng)、能源效率高，這些是高亮度LED成為照明應用未來(lái)發(fā)展趨勢的部分原因。

在汽車(chē)行業(yè)，HBLED技術(shù)使車(chē)輛在造型、安全、燃油的經(jīng)濟性方面與眾不同，從簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)照明、LCD背光到亮度極高的頭燈應用都包括在內。但是，高效、可靠地控制HBLED的亮度，不是一件容易的事情;功率級效率，熱設計和EMC是涉及HBLED的應用中最關(guān)鍵的設計難題。 通常情況下，使用專(zhuān)用恒定電流驅動(dòng)器(CCD)來(lái)驅動(dòng)HBLED串來(lái)解決大部分重要設計問(wèn)題，并簡(jiǎn)化設計。不過(guò)，CCD通常比基于微控制器的解決方案更貴。本文介紹使用8位微控制器(MCU)和低成本的分離解決方案來(lái)實(shí)施智能HBLED照明控制，從而避免使用高昂的模擬驅動(dòng)或CCD。

高亮度LED的重要特征

正如在低強度LED中的情況一樣，高亮度LED的發(fā)光強度與通過(guò)的電流程成正比。該電流通常被稱(chēng)作正向電流(IF)，在HBLED中的范圍是100mA~1000mA。 同時(shí)，每當HBLED進(jìn)行極化時(shí)，都會(huì )出現壓降，稱(chēng)為正向電壓(VF)。在HBLED中，光度和色度與IF成正比，因此對通過(guò)HBLED的電流進(jìn)行精確控制顯得至關(guān)重要。

具有相同部件號和技術(shù)規范的HBLED，不一定擁有完全相同的VF值。當通過(guò)兩個(gè)HBLED的電流IF相同時(shí)，它們的后向電壓VF可能不同。 因此，通過(guò)恒定電壓的方式控制LED強度，可能會(huì )導致HBLED和HBLED之間的密度不同，并且要確保所有HBLED具有相同亮度，則必須提供一個(gè)電流控制。

不僅發(fā)光強度與通過(guò)HBLED的電流有關(guān)，色度也與HBLED電流有關(guān)。 為了保持HBLED顏色，HBLED必須采用恒定電流進(jìn)行驅動(dòng)。本解決方案將使用PWM(脈寬調制)，從而在HBLED(光照強度)中提供一個(gè)更低的平均電流，而同時(shí)還能保持相同的瞬時(shí)電流(LED顏色)。

隨著(zhù)HBLED電流增加，功耗也將增加。電流為350mA。壓降為3V的HBLED大約會(huì )消耗1瓦的電，如果不進(jìn)行正確的熱管理，這種耗散可能會(huì )導致HBLED過(guò)熱和長(cháng)期性能下降。熱設計的另一個(gè)重要方面是，HBLED發(fā)光強度與LED結溫成反比，隨著(zhù)溫度增加，發(fā)射器的顏色會(huì )進(jìn)入更高的波長(cháng)。

驅動(dòng)高亮度LED所面臨的難題

在低強度LED中，使用電阻來(lái)限制IF電流非常普遍。 在HBLED中，電阻的額定功率必須更高，這會(huì )導致系統效率低下。 因此，在HBLED系統中，開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)被用來(lái)提高效率和降低功耗。由于SMPS需要能源存儲組件(電感器和電容器)，因此價(jià)格通常更貴;同時(shí)，SMPS還可能造成噪音或EMI問(wèn)題。

一組HBLED可以同時(shí)通過(guò)并聯(lián)或串聯(lián)方式驅動(dòng)，并聯(lián)驅動(dòng)使每個(gè)HBLED有不同的光照強度，但如果需要一個(gè)控制回路，每個(gè)HBLED會(huì )要求一個(gè)專(zhuān)用控制，因此對于大量HBLED來(lái)說(shuō)費用過(guò)高。

以并聯(lián)方式連接HBLED時(shí)，每個(gè)燈串只需要一個(gè)驅動(dòng)和控制回路，穿過(guò)串聯(lián)中所有HBLED的電流都相同，從而為它們提供相對恒定的亮度。 根據串聯(lián)的LED數量，線(xiàn)路穿要求的電壓可能低于或高于輸入電壓。

采用基于微控制器的解決方案

市場(chǎng)上有大量用來(lái)驅動(dòng)HBLED恒定電流的解決方案，其中一部分基于專(zhuān)用智能模擬驅動(dòng)，另一部分使用數字信號處理器(DSP)或帶獨立模擬驅動(dòng)的微控制器。

人們普遍認為，基于MCU的解決方案不是執行HBLED恒流控制的最好方法，特別是系統采用分離元件構建的開(kāi)關(guān)式電源時(shí)會(huì )變得不夠穩定，并且不可能通過(guò)EMC認證。 飛思卡爾半導體公司現已創(chuàng )建了一款用于雙燈串HBLED照明控制的設計樣例。該HBLED基于S08MP16八位微控制器，MCU負責測量來(lái)自L(fǎng)ED燈串的電流饋電，使用PID控制算法進(jìn)行處理，從而控制獨立的降壓升壓開(kāi)關(guān)式電源的操作，通過(guò)HBLED燈串確保最佳電流流量。

該微控制器還負責監控用戶(hù)輸入、電池電壓和溫度傳感器，診斷實(shí)時(shí)的LED電源供應狀態(tài)，一些特別的通信功能，如LIN功能也可以在同一個(gè)微控制器中實(shí)施。

開(kāi)關(guān)式電源用來(lái)提供到HBLED的電源，它是離散降壓升壓拓撲結構，可以在1到18個(gè)LED燈串范圍(0V?65V的連續范圍)內操作，并且在頻率為350kHz時(shí)運行500mA的輸出電流。應用框圖見(jiàn)圖1。

開(kāi)關(guān)模式電源設計面臨的難題

對于大量HBLED，需要提供降壓升壓電源，以便感應高于或低于電池電壓(VBAT)的輸出電壓( VOUT )。

現在有許多降壓升壓拓撲可以使用，例如CUK電路或SEPIC轉換器，每個(gè)拓撲在要求的元件數量、正負電壓基準和效率方面具有不同的要求和各自的優(yōu)勢。

在本設計中選用的開(kāi)關(guān)模式電源組合了一個(gè)降壓轉換器和一個(gè)升壓轉換器，它們使用共同的電感器和電容器，將操作模式從降壓變成升壓或從升壓變成降壓需要取決于晶體管Q1和Q2的狀態(tài)，如圖2所示。

該拓撲結構降低了成本，不需要額外的電感器和電容器。此外，根據開(kāi)關(guān)模式電源運行的模式，它的傳遞函數減少為一個(gè)共用降壓或升壓轉換器，從而從控制的角度簡(jiǎn)化了設計。

為了控制使用獨立開(kāi)關(guān)模式電源拓撲的EMC，需要設置緩沖過(guò)濾器，并將它們添加到開(kāi)關(guān)晶體管Q1和Q2上;且需要在兩通道間將軟件控制策略設為中心對齊PWM和開(kāi)/關(guān)時(shí)延。

選擇適當的微控制器用于恒流HBLED控制

開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)要求準確的開(kāi)關(guān)頻率和占空比，PWM信號抖動(dòng)會(huì )反映在輸出電壓，進(jìn)而反映在HBLED強度中。同時(shí)，為了節省感應器成本和電容器大小，必須將開(kāi)關(guān)頻率提高為數萬(wàn)赫茲。模數轉換器分辨率和通道可用性，對于隨時(shí)監測和控制HBLED電流和電壓也很重要。

為了實(shí)現HBLED恒流控制，S08MP16測量反映在電流檢測電阻里的HBLED燈串電流，這個(gè)電阻與HBLED燈串進(jìn)行串聯(lián)。 S08MP16嵌入式12位模數轉換器，可以使用小電阻值，功耗極小。此外，通過(guò)使用ADC和電阻分壓器，可以測量過(guò)流和過(guò)壓情況下的SMPS輸出電壓及診斷開(kāi)放負荷。

圖3 嵌入式PID控制框圖

為了控制開(kāi)關(guān)式電源頻率和占空比，可以使用FlexTimer(FTM)模塊;在適合汽車(chē)版本中使用高達 40MHz的定時(shí)器操作頻率，可以生成高頻率和高分辨率的脈沖寬度調制(PWM)，每個(gè)燈串上可與更多HBLED一起操作，在進(jìn)行小型操作時(shí)不會(huì )出現HBLED強度不穩定的情況。此外，可編程時(shí)延模塊(PDB)用于在該應用程序中，可以將ADC讀數與PWM 切換頻率同步，從而確保只有在ON(開(kāi))狀態(tài)下電流出現穩定時(shí)才會(huì )顯示ADC讀數。

如何計算八位微控制器的恒流控制算法

在大部分情況下，簡(jiǎn)單的控制回路就能確保HBLED的正確驅動(dòng);借助閉環(huán)控制，該模塊能補償電池電壓、溫度或在開(kāi)環(huán)中可能影響到HBLED電流的任何其他參數變化。

進(jìn)行恒流控制時(shí)，該模塊提供在規定電壓保持HBLED燈串所需的電壓，這也使得每個(gè)燈串上的HBLED數目可以靈活設置，不需要進(jìn)一步的校準和硬件更改。

要在8位微控制器中集成控制回路，應避免使用浮點(diǎn)庫;在本例中，可以使用16位變量來(lái)完成計算。

結論

要驅動(dòng)HBLED很簡(jiǎn)單，但要在不提高成本的情況下高效、可靠地驅動(dòng)HBLED，則沒(méi)那么簡(jiǎn)單。而使用8位低成本微處理器，只要它有正確的外設，就可以節省成本，并能高效、可靠地驅動(dòng)HBLED。硬件和固件設計對于確保HBLED應用在模塊預期的使用周期期內表現出預期的性能至關(guān)重要。

盡管本文的設計針對的是汽車(chē)應用，但這些概念和解決方案可以在使用HBLED的許多其他工業(yè)和消費電子應用中使用。