LED调光引擎：开关式LED调光驱动器的8位MCU解决方案

开关式可调光LED驱动器具有显著的性能并可以精准控制LED电流，也具有调光功能，这使终端用户在降低功耗的同时制作很好的灯光效果。

8位微控制器可以提供必要的构件用来通信、定制和智能控制，核心独立外设集成比单纯的模拟或ASIC集成电路能提供更大的灵活性，并能改进扩大发光产品的产能并避免同质化。具有预测故障维修、能量监测、颜色和温度维修、远程通信控制的高级特性，这使得智能照明解决方案更具吸引力。

尽管LED驱动器比之前的照明方案提供很多优势，在实际应用中还存在一些小问题，通过本系列的文章我们将了解8位MCU如何消除这些小问题，从而制作出比之前的传统方案产能更大的高性能开关式LED驱动方案。

8位微控制器可以单独用来控制最多4个LED通道，这是现成的大多数LED驱动控制器所不具备的，在图1，LED调光引擎可以通过微控制器外设中制作出来，这些引擎有独立的闭流路来控制开关式功率变换器，带有最小化的CPU介入，这使得CPU可以专门运行其他重要任务比如监视功能、通信或其他的系统智能。

图1：8位Microchip微控制器PIC16F1779控制的4个LED发光二极管串电路图

在图2，LED驱动器基于电流模式的升压转换器，由LED调光引擎控制，该引擎主要包括核心独立外设(CIP)比如互补输出发生器(COG)、数位讯号调变器(DSM)、比较器、可编程斜坡发生器(PRG)、运算放大器(OPA)、脉冲宽度调制器3(PWM3)。片上外设比如固定电压稳压器(FVR)、数字模拟转换器(DAC)、捕捉/比较/PMW(CCP)， 这些核心独立外设(CIP)与片上外设结合起来形成整个引擎。COG提供高频转换脉冲给MOSFET Q1用来对LED发光二极管串进行转能和供电，CCP设定COG输出的切换时间，占空比用来保持LED恒定电流并取决于比较器输出，当电压通过Rsense1超出PRG模块的输出时比较器产生输出脉冲，PRG的输入来自OPA在反馈电路的输出，当占空比大于50%时PRG作为斜坡补偿器而抵消固有的次谐波振荡。

图2：LED调光引擎

带有Type II补偿器的运算放大器(OPA)模块作为带有误差信号放大器(EA)，固定电压稳压器(FVR)作为数字模拟转换器(DAC)的输入提供参考电压给基于LED恒定电流参数的运算放大器(OPA)的同相输入。

为实现调光，脉冲宽度调制器3(PWM3)作为捕捉/比较/PMW(CCP)输出的调节器驱动MOSFET Q2快速开关LED ，调节可以通过数位讯号调变器(DSM)模块实现，调节的输出信号供给互补输出发生器(COG)。脉冲宽度调制器3(PWM3)提供带有可变占空比的脉冲控制驱动器的平均电流从而控制LED的亮度。

LED调光引擎除了实现传统的LED驱动控制器的功能，还可以解决LED驱动器产生的传统问题，现在我们来看如何使用LED调光引擎解决这些传统的问题。

闪烁变化可能是传统的开关式调光LED驱动器会产生的问题，闪烁变化要按照人们的需求进行，为避免闪烁变化而实现平稳的调光效果，驱动器必须将调光步骤伴随着连续流动的效果从100%的高光水平一直降到低光水平，由于LED会瞬间响应电流的变化而没有阻尼效应，因此LED驱动器必须具有足够的调光步骤从而在视觉上察觉不到变化，为达到这种需求，LED调光引擎采用脉冲宽度调制器3(PWM3)控制LED的调光，脉冲宽度调制器3(PWM3)有16位的分辨率，占空比从100%到0有65536个步骤，这保证了光水平的平稳过渡。

LED色温变化

LED驱动器也可以调节LED的色温，这种颜色变化可以被人们察觉并衰减LED的高光补偿。图3是传统的脉冲宽度调制器(PWM)LED的调光波形，LED关闭时，LED的电流由于输出电容的迟缓放电而逐渐减小，这可以引起LED色温的变化和更高的功耗。

图3：LED调光波形

输出电容的迟缓放电可以使用负荷开关消除，比如在图2，电路使用Q2作为符合开关，LED调光引擎同时关闭互补输出发生器(COG)脉冲宽度调制器(PWM)的输出和Q2从而切断减幅电流使LED快速关闭。

电流调峰

当使用开关式整流器驱动LED时，反馈电路是用来配置LED电流，然而在调光时如果操作不当则反馈电路能产生电流调峰(见图3)，再看图2，当LED开启时，电流被传输给LED，通过Rsense2的电压供给了误差信号放大器(EA)。当LED关闭时，没有电流传输给LED，Rsense2的电压变为0。在这个调光时的断电时间，误差信号放大器(EA)的输出增加到最大值并使误差信号放大器(EA)的补偿网络过度充电。当调节的PWM再次开启，在高峰值电流传输给LED使其恢复之前还需要几个周期，此电流调峰会缩短LED的使用寿命。