【導讀】開關模式可調光 LED 驅動器以其高效率和對 LED 電流的控制而聞名。它們還可以提供調光功能，使終用戶能夠創造出夢幻般的照明效果，同時降低功耗。
開關模式可調光 LED 驅動器以其高效率和對 LED 電流的控制而聞名。它們還可以提供調光功能，使終用戶能夠創造出夢幻般的照明效果，同時降低功耗。
8 位微控制器( MCU) 實現可以提供必要的構建塊來創建支持通信、定制和智能控制的解決方案。此外，與純模擬或 ASIC 實施相比，獨立于的外設集成提供了顯著的靈活性，并實現了擴展照明產品功能并提供產品差異化的創新。預測性故障和維護、能源監控、顏色和溫度維護以及遠程通信和控制等功能只是使智能照明解決方案更具吸引力的一些先進功能。
盡管 LED 驅動器比以前的照明解決方案具有許多優勢，但其實施過程中也存在挑戰。但不用擔心，讀完本文后，您將了解如何使用 8 位 MCU 來緩解設計挑戰并創建具有超越傳統解決方案功能的高性能開關模式 LED 驅動解決方案。
8 位微控制器可用于獨立控制多達四個 LED 通道，這是大多數現成 LED 驅動器控制器無法提供的功能。在圖 1 中，LED 調光引擎可以利用微控制器中可用的外設來創建。這些引擎中的每一個都有一個獨立的封閉通道，可以在少甚至無需中央處理單元（CPU）干預的情況下控制開關模式電源轉換器。這使得 CPU 可以自由地執行其他重要任務，例如監控功能、通信或系統中的附加智能。
由 Microchip PIC16F1779 8 位微控制器控制的四個 LED 燈串的示意圖
圖 1：由 Microchip PIC16F1779 8 位微控制器控制的四個 LED 燈串的示意圖
LED調光引擎
在圖 2 中，基于電流模式升壓轉換器的 LED 驅動器由 LED 調光引擎控制。該引擎主要由獨立外設（CIP）組成，如互補輸出發生器（COG）、數字信號調制器（DSM）、比較器、可編程斜坡發生器（PRG）、運算放大器（OPA）和脈寬調制器3（脈寬調制3）。將這些 CIP 與其他片上外設（例如固定電壓調節器 (FVR)、數模轉換器 (DAC) 和捕捉/比較/PWM (CCP)）相結合，即可完成整個引擎。 COG 向 MOSFET Q1 提供高頻開關脈沖，以允許將能量和電源電流傳輸到 LED 燈串。 COG 輸出的開關周期由 CCP 和占空比設置，從而保持 LED 恒定電流并由比較器輸出決定。只要 Rsense1 兩端的電壓超過 PRG 模塊的輸出，比較器就會產生輸出脈沖。 PRG 的輸入源自反饋電路中的 OPA 輸出，被配置為斜率補償器，以抵消占空比大于 50% 時固有的分諧波振蕩的影響。
OPA 模塊被實現為具有 II 類補償器配置的誤差放大器 (EA)。 FVR 用作 DAC 輸入，根據 LED 恒流規范為 OPA 非反相輸入提供電壓參考。
為了實現調光，PWM3 用作 CCP 輸出的調制器，同時驅動 MOSFET Q2 以快速循環 LED 開和關。通過 DSM 模塊進行調制，并將調制后的輸出信號饋送到 COG。 PWM3 提供具有可變占空比的脈沖，控制驅動器的平均電流，從而有效控制 LED 的亮度。
LED 調光引擎不僅可以完成典型 LED 驅動器控制器的功能，而且還具有解決 LED 驅動器帶來的典型問題的功能。現在，我們將介紹這些問題以及如何使用 LED 調光引擎來避免這些問題。
圖 2：LED 調光引擎
閃爍
閃爍是典型開關模式可調光 LED 驅動器可能面臨的挑戰之一。雖然故意閃爍可能是一種有趣的效果，但當 LED 無意中閃爍時，它可能會破壞用戶想要的照明設計。為了避免閃爍并提供平滑的調光體驗，驅動器應執行從 100% 光輸出一直降至低端光水平的調光步驟，并具有連續流暢的效果。由于 LED 會立即響應電流變化并且不具有阻尼效應，因此驅動器必須具有足夠的調光步驟，以便眼睛不會察覺到變化。為了滿足這一要求，LED 調光引擎采用 PWM3 來控制 LED 的調光。 PWM3 是一款 16 位分辨率 PWM，具有從 100% 到 0% 占空比的 65536 個步長，可確保平滑的照明級別轉換。
LED 色溫變化
LED 驅動器還可以改變 LED 的色溫。這種顏色變化可能會引起消費者的注意，并削弱有關 LED 高質量照明體驗的主張。 圖 3 顯示了典型的 PWM LED 調光波形。當 LED 關閉時，由于輸出電容緩慢放電，LED 電流逐漸減小。此事件可能導致 LED 色溫變化和更高的功耗。
圖3：LED調光波形
輸出電容器的緩慢放電可以通過使用負載開關來消除。例如，在圖2中，電路使用Q2作為負載開關，LED調光引擎同步關閉COG PWM輸出和Q2，以切斷衰減電流的路徑并允許LED快速關閉。
電流峰值
當使用開關模式電源轉換器來驅動LED時，反饋電路用于調節LED電流。然而，在調光期間，如果操作處理不當，反饋電路可能會產生電流峰值（見圖 3）。回顧圖 2，當 LED 亮起時，電流會傳輸到 LED，RSENSE2 兩端的電壓會饋送到 EA。當 LED 關閉時，沒有電流傳輸到 LED，RSENSE2 電壓變為零。在調光關閉期間，EA 輸出增加到值并對 EA 補償網絡過度充電。當調制的 PWM 再次打開時，需要幾個周期才能恢復，同時高峰值電流被驅動到 LED。這種電流峰值情況會縮短 LED 的使用壽命。
為了避免此問題，LED 調光引擎允許將 PWM3 用作 OPA 的覆蓋源。當 PWM3 為低電平時，EA 的輸出為三態，將補償網絡與反饋環路完全斷開，并將穩定反饋的一個點保持為存儲在補償電容器中的電荷。當 PWM3 為高電平且 LED 再次打開時，補償器網絡重新連接，EA 輸出電壓立即跳至先前的穩定狀態（在 PWM3 為低電平之前），并幾乎立即恢復 LED 電流設定值。
完整的解決方案
如前所述，LED 調光引擎可以在少甚至無需 CPU 干預的情況下運行。因此，在將控制 LED 驅動器的所有工作卸載到 CIP 的同時，CPU 還擁有大量帶寬來執行其他重要任務。通過處理檢測到的輸入和輸出電壓，可以執行欠壓鎖定 (UVLO)、過壓鎖定 (OVLO) 和輸出過壓保護 (OOVP)等保護功能。這可確保 LED 驅動器在所需規格內運行，并保護 LED 免受異常輸入和輸出條件的影響。 CPU 還可以處理來自傳感器的熱數據以實施 LED 的熱管理。此外，當設置 LED 驅動器的調光級別時，CPU 可以處理來自簡單外部開關的觸發或來自串行通信的命令。同時，LED驅動器的參數可以通過串行通信發送到外部設備進行監控或測試。
除了上述功能之外，設計人員還可以在自己的 LED 應用中添加更多智能，包括DALI或 DMX 等通信以及控制定制。圖 4 顯示了使用 LED 調光引擎的完整開關模式可調光 LED 驅動器解決方案的示例。
圖 4：開關模式可調光 LED 驅動器解決方案
結論
LED 調光引擎可用于創建有效的開關模式可調光 LED 驅動器。效率等同于其驅動多個 LED 燈串、提供高效能源、確保 LED 的性能、保持 LED 的較長使用壽命以及增加系統智能的能力。
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