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基于8位MCU的开关模式可调光LED驱动器解决方案

Microchip Technology公司Mark Pallones 2019-06-04

开关模式可调光LED驱动器以其效率和精确控制LED电流而闻名。它们还可以提供调光功能,同时降低功耗。8位微控制器(MCU)可以实现提供必要的构建块来创建支持通信、自定义和智能控制的解决方案。此外,与纯模拟或ASIC实现相比,核心独立外围集成提供了显著的灵活性,并支持扩展照明产品功能和提供产品差异化的创新。预测性故障和维护、能源监控、色彩和温度维护以及远程通信和控制等功能是使智能照明解决方案更具吸引力的高级功能。DfY电子头条

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虽然LED驱动器比以前的照明解决方案有许多优势,但是在实施上存在挑战。在本文中您将学习如何使用8位MCU来缓解设计挑战,并创建具有超越传统解决方案功能的高性能开关模式LED驱动解决方案。8位微控制器可独立控制多达四个LED通道,这是大多数现成的LED驱动控制器无法提供的。在图1中,LED调光引擎可以通过微控制器中可用的外设创建。每个引擎都有一个独立的封闭通道,可以控制开关模式功率转换器,几乎不需要中央处理器(CPU)的干预。这使CPU可以自由执行其他重要任务,如监视功能、通信或系统中添加的智能。DfY电子头条

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图1:由Microchip PIC16F1779 8位微控制器控制的四个LED串的示意图DfY电子头条

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LED调光引擎DfY电子头条

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在图2中,基于电流模式升压转换器的LED驱动器由LED调光引擎控制。该引擎主要由互补输出发生器(COG)、数字信号调制器(DSM)、比较器、可编程斜坡发生器(PRG)、运放(OPA)、脉宽调制器3 (PWM3)等核心独立外设(CIP)组成。将这些CIP与其他片上外设(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,可完成整个引擎。COG向MOSFET Q1提供高频开关脉冲,以便将能量和电源电流传输到LED串。COG输出的开关周期由CCP和占空比设置,它保持LED恒定电流,并由比较器输出决定。只要Rsense1上的电压超过PRG模块的输出,比较器就会产生输出脉冲。在反馈电路中,PRG的输入来自OPA输出,它被配置成一个斜率补偿器,以抵消占空比大于50%时固有次谐波振荡的影响。DfY电子头条

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OPA模块实现为具有II型补偿器配置的误差放大器(EA)。采用FVR用作DAC输入,为基于LED恒流规范的OPA非逆变输入提供电压参考。为了实现调光,PWM3用作CCP输出的调制器,同时驱动MOSFET Q2以使LED快速循环开启和关闭。通过DSM模块可以进行调制,并且调制的输出信号被输送到COG。PWM3提供具有可变占空比的脉冲,其控制驱动器的平均电流实际上控制LED的亮度。LED调光引擎不仅可以实现典型LED驱动器控制器的功能,还具有解决LED驱动器典型问题的功能。我们现在将逐步介绍这些问题,以及如何使用LED调光引擎来避免这些问题。DfY电子头条

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图2:LED调光引擎DfY电子头条

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闪烁DfY电子头条

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闪烁是典型的开关模式可调光LED驱动器可能具有的挑战之一。虽然闪烁可能是有意义的有趣效果,但当LED无意中闪烁时,它可能会破坏用户所需的照明设计。为了避免闪烁并提供平稳的调光体验,驱动程序应执行调光步骤,从100%光输出一直到其低端光照水平,具有连续的流体效果。由于LED瞬间响应电流变化并且没有阻尼效果,因此驱动程序必须具有足够的调光步骤才不会察觉到变化。为了满足这一要求,LED调光引擎采用PWM3来控制LED的调光。PWM3是一个16位分辨率PWM,从100%占空比到0%占空比具有65536步,确保了平稳的照明级转换。DfY电子头条

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LED色温转换 DfY电子头条

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LED驱动器还可以改变LED的色温。这种颜色变化对于消费者来说是显而易见的,并且削弱了对LED的高质量照明体验的要求。图3显示了典型的PWM LED调光波形。当LED关闭时,由于输出电容器的缓慢放电,LED电流逐渐减小。这种情况会导致LED的色温变化和更高的功耗。 DfY电子头条

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图3:LED调光波形DfY电子头条

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通过使用负载开关可以消除输出电容的缓慢放电。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,以便切断衰减电流的路径并使LED快速关闭。DfY电子头条

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电流的峰值DfY电子头条

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当使用开关模式功率转换器来驱动LED时,采用反馈电路来调节LED电流。但是,在调光期间,如果操作处理不当,反馈电路可以产生电流峰值(参见图3)。回顾图2,当LED打开时,电流被传递到LED,RSENSE2两端的电压被馈送到EA。当LED熄灭时,没有电流传递到LED,RSENSE2电压变为零。在此调光关闭期间,EA输出增加到最大值并对EA补偿网络过度充电。当调制PWM再次导通时,它需要几个周期才能恢复,同时高峰值电流被驱动到LED。这时电流峰值的情况缩短了LED的寿命。DfY电子头条

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为了避免这个问题,LED调光引擎允许PWM3用作OPA的覆盖源。当PWM3为低电平时,EA的输出为三态,完全断开补偿网络与反馈环路的连接,将稳定反馈的最后一点作为电荷存储在补偿电容中。当PWM3为高电平且LED再次亮起时,补偿器网络重新连接,EA输出电压立即跳至其先前的稳定状态(在PWM3为低电平之前)并几乎立即恢复LED电流设定值。DfY电子头条

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解决方案DfY电子头条

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如前所述,LED调光引擎可以在很少甚至没有CPU干预的情况下运行。因此,在将所有用于控制LED驱动程序的工作转移到CIP时,CPU有足够的带宽来执行其他重要任务。通过处理检测到的输入和输出电压,可以实现欠压锁定(UVLO)、过压锁定(OVLO)和输出过压保护(OOVP)等保护功能。这确保LED驱动器在预期的规格范围内工作,并保护LED免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,实现LED的热管理。此外,当设置LED驱动器的调光级别时,CPU可以通过简单的外部开关或串行通信命令处理触发器。此外,LED驱动器的参数可以通过串口通信发送到外部设备进行监控或测试。除了上面提到的功能外,设计人员还可以在自己的LED应用程序中添加更多智能,包括DALI或DMX等通信,以及控制自定义。图4显示了使用LED调光引擎的完整开关模式可调光LED驱动器解决方案的示例。 DfY电子头条

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图4:开关模式可调光LED驱动器解决方案DfY电子头条

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结论DfY电子头条

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LED调光引擎可用于创建有效的开关模式可调光LED驱动器。其有效性取决于其驱动多个LED串的能力、提供有效的能源、确保LED的最佳性能、维持LED的长寿命以及增加系统智能。 DfY电子头条