基于8位MCU的LED調(diào)光引擎設(shè)計

開關(guān)模式可調(diào)光LED驅(qū)動器憑借其高效性以及對LED 電流的精確控制而聞名。這類LED驅(qū)動器還可以提供調(diào)光功能，使得最終用戶在營造奇幻燈光效果的同時有效降低自身功耗?；?位單片機（MCU）的解決方案可針對此類應用提供必要的模塊，從而實現(xiàn)通信、定制和智能控制功能。

此外集成的獨立于內(nèi)核的外設(shè)，與純模擬或ASIC實現(xiàn)相比可顯著提升靈活性，擴展照明產(chǎn)品功能的同時塑造產(chǎn)品差異化，從而實現(xiàn)創(chuàng)新。這類智能照明解決方案具備故障預測和維護、能量監(jiān)測，色溫維持以及遠程通信和控制等功能，功能之豐富不勝枚舉，并且將因此而倍受青睞。?

雖然LED驅(qū)動器與先前的照明解決方案相比具備諸多優(yōu)勢，但其實現(xiàn)過程中也會面臨許多挑戰(zhàn)。但您不必擔心，閱讀完本文章后，您將會了解如何使用8位MCU來輕松應對這些設(shè)計挑戰(zhàn)，從而打造出高性能的開關(guān)模式LED驅(qū)動解決方案，功能之豐富令傳統(tǒng)解決方案只能望其項背。

8位單片機可獨立控制最多四個LED通道，這是大多數(shù)現(xiàn)成LED驅(qū)動器控制器所不具備的一項獨特能力。在圖1中，LED調(diào)光引擎可由單片機中提供的外設(shè)構(gòu)成。這些引擎均具有獨立的封閉通道，極少需要甚至不需要中央處理單元（CPU）干預即可控制開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器。這樣可以釋放CPU以執(zhí)行其他重要任務，比如系統(tǒng)中的監(jiān)控功能、通信功能或新增的智能功能。

圖1：通過Microchip的PIC16F1779 8位單片機控制四個LED串的圖示

LED調(diào)光引擎

在圖2中，基于電流模式升壓轉(zhuǎn)換器的LED驅(qū)動器由LED調(diào)光引擎控制。該引擎主要由互補輸出發(fā)出發(fā)生器（COG）、數(shù)字信號調(diào)制器（DSM）、比較器、可編程斜坡發(fā)生器（PRG）、運算放大器（OPA）和脈寬調(diào)制器3（PWM3）等獨立于內(nèi)核的外設(shè)（CIP）組成。這些CIP與固定穩(wěn)壓器（FVR）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和捕捉/比較/PWM（CCP）等其他片上外設(shè)一起組成完整的引擎。COG將高頻開關(guān)脈沖提供給MOSFET Q1，從而將能量和供電電流傳輸給LED串。COG輸出的開關(guān)周期通過CCP和占空比設(shè)置，用于維持LED恒定電流，具體取決于比較器輸出。每當Rsense1兩端的電壓超過PRG模塊的輸出時，比較器就會產(chǎn)生一個輸出脈沖。PRG的輸入源自反饋電路中的OPA輸出，它被配置為斜率補償器，以在占空比大于50％時抵消固有次諧波振蕩的影響。

OPA模塊實現(xiàn)為具有II型補償器配置的誤差放大器（EA）。FVR用作DAC輸入，根據(jù)LED恒定電流規(guī)范為OPA同相輸入提供參考電壓。

為了實現(xiàn)調(diào)光目的，PWM3用作CCP輸出的調(diào)制器，同時驅(qū)動MOSFET Q2以使LED快速循環(huán)亮起和熄滅。調(diào)制操作可通過DSM模塊來完成，調(diào)制后的輸出信號饋送到COG。PWM3可提供占空比可變的脈沖，用于控制驅(qū)動器的平均電流，實際上控制的是LED的亮度。

LED調(diào)光引擎不僅可以實現(xiàn)典型LED驅(qū)動器控制器的功能，而且還具備解決LED驅(qū)動器典型問題的能力。現(xiàn)在，我們將探討這些問題并分析如何使用LED調(diào)光引擎來加以避免。

圖2.LED調(diào)光引擎

頻閃

頻閃是典型開關(guān)模式可調(diào)光LED驅(qū)動器可能面臨的挑戰(zhàn)之一。雖然精心策劃的頻閃會帶來有趣的效果，但如果LED發(fā)生意外頻閃，則會破壞用戶期望的燈光設(shè)計。為了避免頻閃并提供平滑調(diào)光體驗，應確保驅(qū)動器從最高檔位（即100％燈光輸出）一直到最低檔位的調(diào)光效果都是連續(xù)流暢的。由于LED會瞬間響應電流變化并且不具有阻尼效果，因此驅(qū)動器必須具有足夠多的調(diào)光檔位才能確保人眼察覺不到變化。為了滿足這一要求，LED調(diào)光引擎采用PWM3來控制LED的調(diào)光。PWM3是16位分辨率的PWM，從100％到0％占空比共有65536個檔位，可保證亮度平滑切換。

LED色溫轉(zhuǎn)換

LED驅(qū)動器還可以轉(zhuǎn)換LED的色溫。此顏色變化是人眼能夠察覺得到的，削弱了客戶對享受優(yōu)質(zhì)LED照明體驗的主張。圖3給出了典型的PWM LED調(diào)光波形。當LED熄滅時，由于輸出電容緩慢放電，LED電流會逐漸減小。此事件會導致LED發(fā)生色溫漂移且功耗增大。

圖3.LED調(diào)光波形

可以使用負載開關(guān)來防止輸出電容緩慢放電。例如，在圖2中，電路使用Q2作為負載開關(guān)，LED調(diào)光引擎會同步關(guān)閉COG PWM輸出和Q2，以便切斷電流衰減路徑，讓LED快速熄滅。

峰值電流

當使用開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器驅(qū)動LED時，將采用反饋電路來調(diào)節(jié)LED電流。但是，如果在調(diào)光期間操作不當，反饋電路會產(chǎn)生峰值電流（見圖3）?；仡檲D2，當LED點亮時，電流傳輸?shù)絃ED，RSENSE2兩端的電壓饋送到EA。當LED熄滅時，沒有電流傳輸?shù)絃ED，RSENSE2電壓變?yōu)榱恪Ｔ诖苏{(diào)暗期間，EA輸出會增加到最大值，并使EA補償網(wǎng)絡(luò)過充。當調(diào)制的PWM再次導通時時，如果有高峰值電流驅(qū)動到LED，則需要若干個周期才能恢復。此峰值電流會削減LED的使用壽命。?

為了避免這一問題，LED調(diào)光引擎允許將PWM3用作OPA的改寫源。當PWM3為低電平時，EA的輸出呈三態(tài)，將補償網(wǎng)絡(luò)與反饋回路完全斷開，并將保持最后一個穩(wěn)定反饋點作為補償電容中存儲的電荷。當PWM3為高電平且LED再次點亮時，補償網(wǎng)絡(luò)重新連接，EA輸出電壓立即跳到其先前的穩(wěn)定狀態(tài)（PWM3為低電平之前），并且?guī)缀趿⒓椿謴蚅ED電流設(shè)定值。

完整解決方案

如前文所述，LED調(diào)光引擎極少需要甚至不需要CPU干預即可正常工作。因此，在將所有對于LED驅(qū)動器的控制工作分配給各個CIP時，CPU將具有充足的帶寬來執(zhí)行其他重要任務。此外，通過對檢測到的輸入和輸出電壓進行處理，可以執(zhí)行欠壓鎖定（UVLO）、過壓鎖定（OVLO）和輸出過壓保護（OOVP）等保護功能。這樣可確保LED驅(qū)動器按照規(guī)范要求工作，并且LED不受異常輸入和輸出條件的影響。CPU還可以處理來自傳感器的溫度數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)對LED的熱管理。而且，當設(shè)置LED驅(qū)動器的調(diào)光級別時，CPU可以處理來自簡單外部開關(guān)或串行通信命令的觸發(fā)信號。此外，LED驅(qū)動器的參數(shù)可以通過串行通信的方式發(fā)送到外部設(shè)備以進行監(jiān)控或測試。?

除了上述功能之外，設(shè)計師還可以在自己的LED應用中盡情添加更多智能功能，包括通信（例如，DALI或DMX）和定制控制功能等。圖4給出了使用LED調(diào)光引擎的完整開關(guān)模式可調(diào)光LED驅(qū)動器解決方案示例。