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采用混合讯号高电压微控制器
实现LED降/升压驱动电路

【作者: Steve Bowling、Lucio Di Jasio】2008年08月25日 星期一

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LED驱动电流背景知识

近年来LED已成为重要的新世代光源,LED的发光效率通常可达白炽灯的3倍多;LED也非常耐用,使用寿命超过数万个小时。


针对照明应用的高功率LED,采用恒流源(constant current source;CCS)驱动。一些标准驱动电流常见于不同LED产品中,其中350 mA 和 700 mA的驱动电流最为常见。根据串联的类型和数量不同,LED两端的顺向压降(forward voltage)也可能改变。许多高功率LED产品制造商将提供把多个接面整合于单一模组中的产品。


驱动LED的方法之一,是采用串联电阻来限制电流。线性稳压器或运算放大器也可构成恒流配置。然而,此类线性方法无法在一定的功率水准下提供足够的效率。


这时交换式电源(SMPS)可为LED驱动提供更高效率的解决方案,其可将输入电压升/降至适当电位,进而提供所需要的LED驱动电流。系统的输入电压范围以及所需的LED顺向压降,将决定对SMPS拓扑结构的选择。


降/升压转换器

当供电电压高于或低于需要的输出电压时,使用降/升压转换器结构。对于电池应用来说,降/升压转换器尤其有用。降/升压结构还称为返驰式(fly-back)或换流式(inverting)稳压器。


《图一 降/升压转换器拓扑结构》
《图一 降/升压转换器拓扑结构》

降/升压转换器可按图一的方式实现。其方案优点是可使用简单的低端MOSFET驱动器电路。图一所示的拓扑结构,将产生相对于输入电压的正电压,但缺点则是负载并非以回路接地(circuit ground)为基准。


采用混合讯号高电压的微控制器实现方案

图二为LED驱动电路的简化电路图,其中采用混合讯号且高电压的8位元微控制器。


该电路的输出是相对于电池电压,而非接地电压。整流器的输出连接到LED的阳极,产生一个高于输入电压的电压。



《图二 混合讯号高电压 LED驱动器的简化原理图》
《图二 混合讯号高电压 LED驱动器的简化原理图》

这个混合讯号高电压微控制器结合一个8位元微控制器核心和多个on-chip的类比周边,并包括以下元件:


  • ●一个高速双相位PWM电路,非常适合交换式电源电流模式控制;


  • ●两个on-chip运算放大器,可以放大电流感测电阻两端的电压。因此可以采用极小的感测电阻,降低电路损耗并提高整体电路效率;


  • ●一个高电​​压分流稳压器(shunt regulator),无需外部5V稳压器即可在高电压环境下运作;


  • ●一个数位捕捉、比较和PWM(CCP)模组;


  • ●两个类比比较器;


  • ●一个 10位元A/D转换器;


  • ●内部时脉电路,操作频率8 MHz;


  • ●一个内部精确参考电压,而不需昂贵的外部元件;


  • ●一个可规划的电压异常重置(Brown-Out Reset;BOR);



运算放大器和比较器的所有接脚都可连接至外部,因此可支援任意的电路配置。


电流感测电路

电流感测运算放大器连接成差动放大器,以精确测量电流感测电阻两端的电压。为简化电路要求,在电源返回路径上进行电流测量。 R1、R2 和 C1构成一个低通滤波器,以减少可能存在的开关杂讯。为避免限制控制环路的响应,该滤波器的截频点(cutoff frequency)必须大于电压转换器的交换频率。


电流调节电路

稳定LED电流流量的电路由双相位PWM模组、内部比较器和一个参考电压源构成。双相位PWM模组是依照set/reset原则的「类比」式PWM模组。首先,从系统时脉产生的一个时脉讯号,周期性地开启PWM输出,由PWM时脉讯号设定基本的PWM频率。然后当达到指定的参考电位时,来自一个on-chip比较器的重置讯号会关闭PWM输出。


放大后的电流讯号连结到LED驱动器中比较器1的正输入端。 PWM模组使用混合讯号高电压零件中的捕获比较周边(CCP1),来产生比较器所需要的参考电压,采用PWM可更精细控制比较器参考电压。而利用RC滤波器过滤PWM讯号,可获得一个类比电压并连结至比较器的负输入端。


软体实现方案

由于LED电流控制功能采取类比方式,应用软体十分简易;一旦装置启动


所有周边,电流参考值也会被正确设定,因此无须软体作用,LED就会持续发光。


应用程式码可以利用on-chip的10位元A/D转换器测量供电电压和供电电流,驱动LED保持定功率模式。随着电池输入电压的改变,采用CCP周边的D/A电路将产生新的参考电压值进行补偿。


调节LED亮度

微控制器核心仅需花费一小部分时间调节功率,大部分时间则可用于改善使用者介面及提供更多功能,例如电池状态监控和亮度控制。利用此一电路和软体调整LED亮度有两种方法。


利用LED亮度随驱动电流而变化之原理

利用此种方法可实现LED亮度的近似线性控制。然而,改变电流调光并非控制LED亮度的最好方法。只有在制造商规定的最大驱动电流下,LED才能够达到最高的发光效率。


利用低频PWM讯号调整LED驱动电流

此方法是在LED发光时以最大电流驱动,而非降低驱动电流。 PWM讯号的工作周期,决定LED发光的平均时间。 PWM调光讯号的频率通常在60Hz 到 1000Hz之间。 PWM频率需够高,确保LED电流开关速率够快,使人眼感受不到光的闪烁。同时PWM频率又要够低,确保电流调节电路在PWM作用时间内有足够时间可以稳定。若上述条件充足,那么人眼会对一段时间内LED的光输出进行平衡。


总结

混合讯号高电压控制器包含所有必备元件实现高效率高功率的LED驱动电路。根据输入电压范围,此解决方案可迅速调整成升压或降/升压工作模式。此一应用仅使用微控制器内部RAM和快闪记忆体的一小部分,为其他应用程式码预留足够空间。混合讯号高电压微控制器尚包含足够周边,可支援其他LED驱动功能、充电器或其他交换式电路。


---作者均任职于Microchip Application Segments Group应用部门---


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