开关式LED调光驱动器技术

现在大街上随处可见的LED显示屏，还有装饰用的LED彩灯以及LED车灯，处处可见LED灯的身影，LED已经融入到生活中的每一个角落。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(点击放大)，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(点击放大)，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。

为避免这一问题，LED调光引擎允许PWM3作为运算放大器(OPA)的重写源，当PWM3出于低光水平时，误差信号放大器(EA)的输出是三态的，并完全断开了反馈回路的补偿网络并保留了稳定反馈的末点作为一次充电存储在补偿电容中，当PWM3处于高光水平并且LED再次开启时，补偿网络再次连接并且误差信号放大器(EA)的输出电压瞬间猛增到之前的稳定状态(在PWM3处于低光水平之前)并几乎立即存储LED当前的设定值。

完整解决方案

之前提到过LED调光引擎运行有最小化的CPU介入，所以，当关闭其他的任务只控制核心独立外设(CIP)的LED驱动器时，CPU还有很多的带宽去执行其他的重要任务。欠压锁定(UVLO)、过压锁定(OVLO)、输出电压保护(OOVP)等保护特性可以在处理传感的输入和输出电压时执行，这可以确保LED驱动器运行在需要的规格内并且可以保护LED免于异常的输入和输出情况。CPU也能处理传感器的热量数据来实现LED的热量管理，而且，当设置LED驱动器的调光水平时，CPU能处理来自简单外部开关的触发器或一个串行通信的指令。另外，LED驱动器的参数能通过监视或测试的串行通信被发送给外部设备。

除了以上提到的特性，设计者还可以使自己的LED应用更加智能，包括通信在内，类似DALI或DMX，并管理定制，图4是使用LED调光引擎的一个完整的开关式LED调光驱动器方案的样图。

图4：开关式LED调光驱动器方案

总结

LED调光引擎能可用于制作有效的开关式LED调光驱动器，其效果等同于驱动多个LED串的性能，用来提供有效的能量源，确保LED的最佳性能，保持了LED的长使用期限，并使系统更智能。相信在未来的科学技术更加发达的时候，LED会以更加多种类的方式为我们的生活带来更大的方便，这就需要我们的科研人员更加努力学习知识，这样才能为科技的发展贡献自己的力量。