如何設(shè)計(jì)三通道LED驅(qū)動(dòng)器

固態(tài)照明正迅速成為機(jī)電工程與設(shè)計(jì)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。LED實(shí)現(xiàn)了靈活性與高效性的結(jié)合，這是傳統(tǒng)照明技術(shù)無(wú)法比擬的。LED可以長(zhǎng)時(shí)間提供穩(wěn)定可靠的照明，而且采用小型封裝，因此正在建筑和舞臺(tái)照明應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛采用。但是，每種不同的照明應(yīng)用都有其獨(dú)特性，不同的市場(chǎng)領(lǐng)域需要具有不同特性的產(chǎn)品。因此，市場(chǎng)中集成電路的專(zhuān)業(yè)化趨勢(shì)不斷加強(qiáng)，也導(dǎo)致本來(lái)已經(jīng)種類(lèi)繁多的產(chǎn)品型號(hào)變得更加豐富多彩。可編程混合信號(hào)微控制器正得到快速采用，因?yàn)閱蝹€(gè)微控制器能集成脈寬調(diào)制器(PWM)、通信接口、放大器、比較器及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等多種外設(shè)。

通過(guò)將上述外設(shè)的完美組合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)功能豐富而強(qiáng)大的可調(diào)光降壓轉(zhuǎn)換器等器件的控制。用于LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用的降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)為電流模式調(diào)節(jié)器，因?yàn)長(zhǎng)ED是電流模式器件。我們從LEDV-I曲線(xiàn)可以看出，正向電壓稍有變化，就會(huì)對(duì)電流產(chǎn)生較大影響。因此，任何LED驅(qū)動(dòng)器電路的反饋都應(yīng)視為電流。此外，我們應(yīng)使用恒定電流，因?yàn)橹圃焐虝?huì)根據(jù)正向電流電平設(shè)定LED的顏色與強(qiáng)度。上述特性相當(dāng)重要，因?yàn)槲覀円ㄟ^(guò)有關(guān)特性值來(lái)確保系統(tǒng)符合整體規(guī)范的要求。

圖1給出了典型的LED系統(tǒng)，包括通信接口、不同顏色的LED(每種顏色都代表一個(gè)通道)、智能化功能以及每個(gè)通道的恒定電流驅(qū)動(dòng)器。通信接口可以為DMX512或DALI，這是兩種標(biāo)準(zhǔn)的照明協(xié)議，此外也可以為ZigBee或無(wú)線(xiàn)USB接口。智能化功能可通過(guò)內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)與LED調(diào)光外設(shè)的微控制器實(shí)現(xiàn)。ADC用于監(jiān)控溫度與LED電流等系統(tǒng)變量，完成系統(tǒng)監(jiān)控與色彩混合任務(wù)。驅(qū)動(dòng)器為通道中的每個(gè)LED提供恒定電流。驅(qū)動(dòng)器的復(fù)雜性與質(zhì)量決定了驅(qū)動(dòng)器的價(jià)格。

圖1：典型的LED系統(tǒng)方框圖。

磁滯降壓控制器

在微控制器上集成LED驅(qū)動(dòng)器有助于減小整體系統(tǒng)解決方案的尺寸?，F(xiàn)在，幾乎沒(méi)有什么解決方案將開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)這樣的高功率元件與微控制器的智能化功能完美結(jié)合在一起。退而求其次，就是將SMPS的反饋與控制電路完美集成在微控制器中。如圖1所示，CY8CLED16EZ-Color器件正好具備上述功能所需的模擬電路。在該設(shè)計(jì)方案中，SMPS拓?fù)錇殡娏髂Ｊ娇煽卮艤祲恨D(zhuǎn)換器架構(gòu)(見(jiàn)圖2)。

圖2：磁滯控制器。

啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)電感的電流開(kāi)始上升，直至比較器正輸入的電壓大于比較器負(fù)輸入的電壓。隨后，轉(zhuǎn)換器將作為自由運(yùn)行的振蕩器，電流會(huì)在兩個(gè)層面間充電和放電。

ITH_HIGH與ITH_LOW的大小可由并聯(lián)電阻、RIN與RHYST反饋電阻以及DAC輸出電壓通過(guò)下列等式計(jì)算得出。我們可以看到，RHYST值越大，ITH_HIGH與ITH_LOW的差就越小。

合上PFET將啟動(dòng)充電過(guò)程(如圖4a所示)，電感器開(kāi)始充電。比較器可通過(guò)測(cè)量并聯(lián)電阻電壓來(lái)監(jiān)控電感器電流。當(dāng)電流達(dá)到閾值ITH_HIGH時(shí)，就開(kāi)始進(jìn)入放電過(guò)程(如圖4b所示)。在放電階段，電流通過(guò)續(xù)流二極管放電。續(xù)流二極管保護(hù)電路元件免受電感反沖的影響，并且保持LED處于打開(kāi)狀態(tài)。LED中的電流超過(guò)ITH_LOW閾值后，充電過(guò)程再次開(kāi)始。

圖4：降壓轉(zhuǎn)換器的充電階段(圖a)與放電階段(圖b)。

轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)后進(jìn)入充電階段，直至電感器電流達(dá)到ITH_HIGH閾值。電流達(dá)到閾值所需的時(shí)間稱(chēng)作上升時(shí)間(trise)，trise取決于輸入電壓與電感器電流值：

，其中，VF為串聯(lián)LED的正向電壓。

由于上述方程式的分母是電感值，因此上升時(shí)間與電感值成正比例?？s短上升時(shí)間對(duì)調(diào)光非常重要，因?yàn)闇p小脈沖寬度有利于使用較高分辨率的調(diào)制器，但這并不是使用較小電感值的唯一原因。低值電感器(具有相當(dāng)高的額定電流)從物理上說(shuō)比高值電感器的體積更小，成本更低，同一尺寸封裝的低值電感器比高值電感器支持的電流更高。

圖3顯示了LED電流的理想波形，但沒(méi)考慮比較器的響應(yīng)時(shí)間(tr)。比較器的響應(yīng)時(shí)間(tr)是指輸出電壓針對(duì)輸入電壓超過(guò)DAC參考電壓改變狀態(tài)所需的時(shí)間。如果將這個(gè)因素考慮在內(nèi)，就會(huì)影響LED電流的過(guò)沖、紋波及平均值。平均電流誤差要?dú)w因于比較器限定的響應(yīng)時(shí)間以及電感波形的坡形不平衡引起的。請(qǐng)注意，在圖3中，充電坡度比放電坡度更陡一些，這是由于輸入電壓大大高于LED正向電壓而引起的。由于充電斜率大于放電斜率，因此比較器響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生的平均電流也將大于圖5所示的期望值。

圖3：理想的LED電流波形。

圖5：電流誤差詳圖。

實(shí)際峰值電流等于峰值電流閾值與峰值電流誤差之和，而谷值電流則等于谷值電流閾值與谷值電流誤差之和(如下列方程式所示)。除了比較器的響應(yīng)時(shí)間外，我們從峰值電流計(jì)算式中還可看出，輸入電壓、電感值與LED正向電壓都會(huì)影響峰值電流誤差。我們從谷值電流算式中則可以看出，正向電壓會(huì)影響谷值電流誤差。

，其中，VD為續(xù)流二極管的正向電壓。

我們可根據(jù)電感容差與LED正向電壓的差值計(jì)算出電流誤差。但是，如果我們的系統(tǒng)采用了具備8:1模擬乘法器與可編程增益放大器的積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，那么我們也可用該轉(zhuǎn)換器來(lái)測(cè)量電流誤差。我們通過(guò)校正算法來(lái)測(cè)量并處理電流誤差，隨后再改變DAC的輸出電壓來(lái)設(shè)置新的閾值。

圖6：支持平均電流誤差校正的磁滯控制器。

電平轉(zhuǎn)換電路

如圖7所示，當(dāng)柵極Q1的邏輯電平為高時(shí)，柵極Q3通過(guò)分壓器打開(kāi)；柵極Q4短接至VIN將關(guān)閉柵極Q3。當(dāng)柵極Q1的邏輯電平為低時(shí)，分壓器中無(wú)電流通過(guò)，將柵極Q2連接至VIN，此時(shí)柵極Q4短接至地面，并打開(kāi)PFET。這樣，輸入為高時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉，輸入為低時(shí)，開(kāi)關(guān)打開(kāi)，這就說(shuō)明了EZ-Color器件內(nèi)置比較器的輸出為什么會(huì)出現(xiàn)反相區(qū)。只要輸入電壓不超過(guò)晶體管Q2與Q4的VGS(MAX)值，如圖7所示的電平轉(zhuǎn)換電路就能正常工作。如果我們從VIN到源極Q2之間增加齊納二極管與電容器，再在齊納二極管的陽(yáng)極至接地之間采用偏置電路，那么該電路就可適用于較大的輸入范圍。

圖7：電平轉(zhuǎn)換器詳圖。

利用軟件工具實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)化的解決方案

圖8：?jiǎn)瓮ǖ赖哪M模塊布局。

磁滯降壓轉(zhuǎn)換器要采用EZ-Color，需要將用戶(hù)模塊嵌入到PSoCDesigner中，以便在芯片的模擬段與數(shù)字段之間進(jìn)行切換。如圖8所示，比較器用戶(hù)模塊放在連續(xù)時(shí)間模塊中，9位DAC放在兩個(gè)開(kāi)關(guān)電容模擬塊間，提供其負(fù)輸入。比較器的正輸入通過(guò)4:1的多路復(fù)用器路由，輸出路由至比較器數(shù)字總線(xiàn)，再經(jīng)過(guò)反相，抵消電平轉(zhuǎn)換器電路的反相區(qū)(如圖8所示)。比較器數(shù)字總線(xiàn)發(fā)送數(shù)字信號(hào)至芯片的數(shù)字段，也是數(shù)字信號(hào)走線(xiàn)的地方(如圖9所示)。

圖9：?jiǎn)瓮ǖ赖臄?shù)字模塊布局。

以上各圖顯示了如何配置EZ-Color模擬與數(shù)字模塊，以實(shí)施降壓轉(zhuǎn)換器。COMP_BUF模塊路由比較器總線(xiàn)到數(shù)字段，隨后它可路由到電源電路系統(tǒng)，不過(guò)不是直接路由到控制電路，而是與16位PWM數(shù)字模塊的輸出做AND操作，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。圖8和圖9中的3個(gè)位置樣本可放置在CY8CLED16部件上，從而實(shí)現(xiàn)3通道可調(diào)光輸出的復(fù)合系統(tǒng)。

利用3個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，每個(gè)通道都能通過(guò)高精度照明信號(hào)調(diào)制(PrISM)調(diào)光，或利用PWM，我們就能控制3通道LED系統(tǒng)的色彩。用8位微控制器完成色彩混合相當(dāng)復(fù)雜，不過(guò)有些集成電路公司嘗試了這種做法并取得了成功。PSoCExpress等軟件工具具備預(yù)編寫(xiě)、預(yù)驗(yàn)證的色彩混合代碼，使開(kāi)發(fā)照明設(shè)計(jì)變得極其簡(jiǎn)單。PSoCExpress是一款支持用戶(hù)界面功能的設(shè)計(jì)創(chuàng)建工具，也支持系統(tǒng)外設(shè)編碼，可以通過(guò)拖放實(shí)現(xiàn)工作，并在GUI環(huán)境中連接至驅(qū)動(dòng)程序。所生成的項(xiàng)目文件兼容于所有賽普拉斯的EZ-Color器件。

應(yīng)該采用哪種調(diào)光分辨率？

您可能已經(jīng)注意到了，本項(xiàng)目中采用了16位分辨率調(diào)光，之所以這樣做，是因?yàn)樵诠庹諒?qiáng)度較低的情況下，我們需要16位來(lái)維持高精度的色彩控制。如果強(qiáng)度為100%，那么精確匹配就僅需要8位的分辨率，如強(qiáng)度為1%，則分辨率應(yīng)為14.6位。EZ-Color中，16位分辨率的PWM調(diào)光頻率為732Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于肉眼所能看到的頻率。PWM模塊時(shí)鐘頻率設(shè)定為48MHz，就能獲得這種調(diào)光頻率。

本文小結(jié)

我們采用賽普拉斯的EZ-Color等混合信號(hào)微控制器控制LED照明系統(tǒng)，因?yàn)檫@種微控制器集成了ASIC實(shí)施所需的大部分功能。通過(guò)采用磁滯降壓轉(zhuǎn)換器，EZ-Color能提供低成本的SMPS拓?fù)洌捎煤愣娏黩?qū)動(dòng)LED。集成式混合信號(hào)解決方案非常適合照明設(shè)計(jì)，不僅能降低元件成本，而且還能縮短設(shè)計(jì)周期。賽普拉斯的EZ-Color集成了SMPS控制、智能化色彩混合功能與DMX512接口，使其成為多種LED照明應(yīng)用設(shè)計(jì)的便捷選擇。