高效照明：使用8位单片机的高效LED驱动程序
2017-12-19
在当今的能源意识环境中，LED通常比传统光源更受青睐.。这是因为他们与生俱来的低功耗和长寿命。此外，由于LED是固态照明(Ssl)，它们可以被调暗，允许用户在降低整体功耗的同时创造出奇妙的照明效果。
从LED中获得这些好处需要一个有效的LED驱动程序。LED驱动器的效率与其提供高效的能源、保证LED的最佳性能和保持LED的长寿命密切相关，即使在驱动器保持LED输出强度不变和改变强度的同时也是如此。此外，一个LED驱动器是智能的，具有先进的能力，可以使照明解决方案更有吸引力。
虽然一个有效的LED驱动器可以提供许多优势，但在其实施中也存在着挑战。本文将展示如何使用8位微控制器(MCU)来缓解设计挑战和创造高性能LED驱动解决方案，其能力超越传统解决方案。
一些8位微控制器有积木，可以创造一个有效的LED驱动器.。图1中的微控制器独立地控制多达四种不同颜色的LED通道。每个通道都有由微控制器中可用的外围设备创建的LED调光引擎。每个引擎都有一个独立的闭环，可以控制功率转换器，而中央处理器(CPU)干预最小到没有。这使得CPU可以自由地执行其他重要任务，如监控功能、通信或在系统中添加智能。
图2所示的电流模式Boost转换器是一个有效的LED驱动器，主要由LED调光引擎控制。发动机主要由核心独立外围设备(CIP)组成，如互补输出发生器(COG)、数字信号调制器(DSM)、比较器、可编程斜坡发生器(PRG)、运算放大器(OPA)和脉宽调制器3(PWM 3)。将这些CIPS与其他片上外围设备(如固定电压调节器(FVR)、数模转换器(DAC)和捕获/比较/PWM(CCP))相结合，完成了整个引擎的设计。COG向MOSFET Q1提供高频开关脉冲，以允许能量和电源电流转移到LED串。COG输出的开关周期由CCP和占空比设定，占空比保持LED恒流，由比较器输出决定。当Rsense 1的电压超过PRG模块的输出时，比较器产生输出脉冲。其输入来自反馈电路中的OPA输出的PRG被配置为斜率补偿器，以抵消占空比大于50%时固有的次谐波振荡的影响。
OPA模块被实现为具有II型补偿器配置的误差放大器(EA)。采用FVR作为DAC输入，根据LED恒流规范向OPA非逆变输入提供电压参考。
图2：LED驱动解决方案使用LED调光引擎。
为了实现调光，采用PWM 3作为CCP输出的调制器，同时驱动MOSFET Q2快速循环LED的开关。调制通过DSM模块成为可能，并且调制输出信号被馈送到COG。PWM 3为脉冲提供可变占空比，它控制驱动器的平均电流，实际上控制LED的亮度。
LED调光引擎不仅可以完成典型LED驱动控制器的工作，而且还具有解决LED驱动程序典型问题的特点。我们现在将介绍这些问题，以及如何使用LED调光引擎来避免这些问题。
闪烁
闪烁是典型的可调光LED驱动器可能面临的挑战之一。虽然闪烁可以是一个有趣的效果，当它是故意的，当LED无意中闪烁，它可能破坏用户的理想照明设计。为了避免闪烁和提供平滑的调光体验，司机应执行调光步骤，从100%光输出一路下降到其低端光水平，具有持续的流体效应。由于LED即时响应当前的变化，不具有阻尼效果，司机必须有足够的调暗步骤，这样眼睛就不会察觉到变化。为了满足这一要求，LED调光引擎采用PWM 3来控制LED的调光。pwm 3是一个16位分辨率的pwm，有65536步
100%到0%的占空比，确保照明水平的平稳过渡.
LED色温漂移
LED驱动程序也可以改变LED的色温。这种颜色的改变对消费者来说是显而易见的，并破坏了关于LED的高质量照明体验的说法。图3显示了典型的PWM LED调光波形。当LED关闭时，由于输出电容放电缓慢，LED电流逐渐下降。随着电流的变化，发光二极管的颜色发生了变化，因此输出电容的逐渐放电会导致颜色的温度变化和更高的功耗。
理想电流应该是矩形的，如图3所示。为了实现这一点，应消除产出的缓慢放电。这可以通过使用负载开关来完成。例如，在图2中，电路使用Q2作为负载开关，LED调光引擎同步关闭COG PWM输出和Q2，以切断衰减电流的路径，并允许LED快速关闭。
电流峰值
当使用功率转换器驱动LED时，通常采用反馈电路来调节LED电流。然而，在调光期间，当操作处理不当时，反馈电路可能会产生电流峰值(参见图3)。回顾图2，当LED打开时，一个电流被传送到LED，整个RSENSE 2的电压被送进EA。当LED关闭时，没有电流传递到LED和RSENSE 2电压变为零。在这个调暗的时间内，EA输出增加到它的最大，并多收费EA补偿网络.。当调制PWM再次开启时，它需要几个周期才能恢复，而高峰值电流被驱动到LED上。这种当前的峰值场景缩短了LED的寿命。
为了避免这个问题，LED调光引擎允许将PWM 3用作OPA的覆盖源。当PWM 3较低时，EA的输出为三态，它将补偿网络与反馈回路完全断开，并将稳定反馈的最后一点作为电荷存储在补偿电容器中。当PWM 3高且LED再次开启时，补偿器网络重新连接，EA输出电压立即跳转到其先前的稳定状态(在PWM 3较低之前)，并且几乎立即恢复LED电流设定值。
完全解
如前所述，LED调光引擎可以在最小到无CPU干预的情况下工作。因此，由于所有控制LED驱动器的工作都被卸载到CIPS，CPU有很大的带宽来执行其他重要的任务。
在图2中，微控制器感知输入和输出电压。在这些感测电压中，LED驱动器采用了保护特性，如欠压锁定(UVLO)、过电压锁定(OVLO)和输出过电压保护(OOVP)。通过软件实现这一保护，确保LED驱动程序在所需的规格范围内工作，并保护LED不受异常输入和输出条件的影响。CPU还可以处理来自传感器的热数据以实现LED的热管理。此外，当设置LED驱动程序的调光电平时，CPU可以处理来自简单外部开关或串行通信命令的触发器。此外，LED驱动程序的参数也可以通过串行通信发送到外部设备进行监测或测试。
除了上面提到的功能之外，设计师还可以在他们自己的LED应用程序上添加更多的智能，包括Dali或DMX之类的通信，以及控制自定义。
结语
一个8位微控制器可以用来创建一个有效的LED驱动器.。除了提供高效的能源，确保LED的最佳性能，并保持LED的长寿命外，微控制器还可以增加先进的功能，使照明解决方案更具吸引力。
来源：功芯技
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