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[8/16位单片机] 使用 8 位 PIC MCU 开发高效的 LED 调光控制器

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本帖最后由 oxygenzz 于 2019-6-17 17:42 编辑

转载一篇文章,介绍基于PIC16F176x和PIC16F177x开发LED调光方案
原文地址:原文链接
作者:Mark Pallones (Microchip资深MCU8应用专家)


LED调光方案:使用 8 位 MCU 开发高效的 LED 驱动器

8 位微控制器可以创建有效的 LED 驱动器,并添加高级功能,使照明解决方案更具吸引力。
在当今注重节能的环境中,LED 通常比传统光源更受青睐。这是因为他们固有的低功率和长寿命。此外,由于 LED 是固态照明 (SSL),因此可以变暗,从而允许用户创建出色的照明效果,同时降低整体功耗。

从 LED 中获取这些好处需要有效的 LED 驱动器。LED 驱动器的有效性与其提供高效能源、确保 LED 的最佳性能以及保持 LED 的长寿命的能力有关,即使驱动器保持 LED 输出强度不变,或者改变时也是如此。此外,智能且具有高级功能的 LED 驱动器可使照明解决方案更具吸引力。

虽然有效的 LED 驱动程序可以提供许多优势,但其实施中也存在挑战。本文将介绍如何使用 8 位微控制器 (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 LED 驱动解决方案。
某些 8 位微控制器具有可创建有效 LED 驱动器的构建基块。图 1 中的微控制器可独立控制多达四种不同颜色的 LED 通道。每个通道都有 LED 调光引擎,由微控制器中可用的外围设备创建。每个引擎都有一个独立的闭环,可以控制功率转换器,只需很少或完全不需要中央处理单元 (CPU) 干预。这样,CPU 可以执行其他重要任务,如监控功能、通信或系统中添加的智能。



图1  PIC16F1779 控制独立的4路LED灯


LED 调光引擎

图 2 所示的电流模式升压转换器是一种有效的 LED 驱动器,主要由 LED 调光引擎控制。该引擎主要由核心独立外设 (CIP) 组成,如互补输出发电机 (COG)、数字信号调制器 (DSM)、比较器、可编程斜坡发生器 (PRG)、运算放大器 (OPA) 和脉冲宽度调制器 3 (PWM3)。将这些 CIP 与其他片上外围设备(如固定电压稳压器 (FVR)、数字模拟转换器 (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,以允许将能量传输并供应到 LED 串。COG 输出的开关周期由 CCP 和占空比设定,后者保持 LED 恒定电流,并由比较器输出决定。当 Rsense1 的电压超过 PRG 模块的输出时,比较器会产生输出脉冲。PRG 的输入来自反馈电路中的 OPA 输出,配置为斜率补偿器,以抵消占空比大于 50% 时固有次谐波振荡的影响。

OPA 模块作为误差放大器 (EA) 实现,具有 II 型补偿器配置。FVR 用作 DAC 输入,根据 LED 恒定电流规范为 OPA 非反转输入提供电压参考。



图2 使用LED调光引擎的LED驱动方案


为了实现调光,PWM3 用作 CCP 输出的调制器,同时驱动 MOSFET Q2 快速循环 LED。调制可通过 DSM 模块进行,调制输出信号被馈送到 COG。PWM3 提供具有可变占空比的脉冲,用于控制驱动器的平均电流,并实际上控制 LED 的亮度。

LED 调光引擎不仅可以完成典型的 LED 驱动器控制器的功能,还具有解决 LED 驱动器的典型问题的功能。现在,我们将演练这些问题,以及如何使用 LED 调光引擎来避免这些问题。

闪烁

闪烁是典型的可调光 LED 驱动器可能面临的挑战之一。虽然闪烁可被设计成是一种有趣的效果,但在普通照明中场景中,LED闪烁会极大的破坏用户的照明体验。为了避免闪烁并提供平滑调光体验,驱动器应执行从 100% 光输出到低端光照级别的调光步骤,并产生持续流畅的效果。由于 LED 会即时响应电流变化,并且没有阻尼效果,因此调光引擎必须有足够的调光步骤,以便眼睛无法感知变化。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,具有 65536 步

100% 到 0% 占空比,确保平滑的照明级别过渡。

LED 色温变化

LED 驱动器还可能改变 LED 的色温。这种颜色变化对消费者是明显的,并会破坏对 LED 高品质照明体验的主张。 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 电流逐渐下降。颜色随电流变化而变化,因此输出电容器的逐渐放电会导致色温变化和 LED 功耗升高。



图3 LED调光波形

理想的电流应该是矩形的,如图 3 所示。为此,应消除输出的缓慢放电。这可以通过使用负载开关来完成。例如,在图 2 中,使用 Q2 作为负载开关的电路与 LED 调光发动机同步关闭 COG PWM 输出和 Q2,以切断衰减电流的路径并允许 LED 快速关闭。

电流尖峰

当使用电源转换器驱动 LED 时,通常使用反馈电路来调节 LED 电流。但是,在调光期间,当操作未正确处理时,反馈电路可能会产生电流峰值(参见图 3)。回顾图 2,当 LED 打开时,电流将传递到 LED,并且 RSENSE2 上的电压将馈入 EA。当 LED 熄断时,没有电流传递到 LED,RSENSE2 电压变为零。在此调光关闭时间期间,EA 输出增加到其最大值,会引起 EA 补偿网络过充。当调制 PWM 再次打开时,在将高峰值电流驱动至 LED 时,需要几个周期才能恢复。此电流尖峰会缩短 LED 的使用寿命。

为避免此问题,LED 调光引擎允许PWM3 控制 OPA 的输出。当 PWM3 处于低位时,OPA/EA 的输出为三态,将补偿网络与反馈环路完全断开,并将最近的稳定反馈状态存储在补偿电容器中的电荷中。当 PWM3 高且 LED 再次打开时,补偿器网络重新连接,EA 输出电压立即跳转到其先前稳定状态(在 PWM3 处于低位之前),并几乎立即恢复 LED 电流设置值。

完整的解决方案

如前所述,LED 调光引擎可在 CPU 干预中以极小到无 CPU 干预方式运行。因此,由于控制 LED 驱动程序的所有工作都卸载到 CIP,因此 CPU 具有执行其他重要任务的大量带宽。

在图 2 中,微控制器检测输入和输出电压。根据这些电压,LED 驱动器采用保护功能,如欠压锁定 (UVLO)、过压锁定 (OVLO) 和输出过压保护 (OOVP)。通过软件实施此保护可确保 LED 驱动器在所需规格下运行,并且 LED 可防止异常输入和输出条件。CPU 还可以处理来自传感器的温度数据,以实现 LED 的温度管理。此外,在设置 LED 驱动器的调光电平时,CPU 可以响应外部开关或串行通信命令,来进行相应的处理。此外,LED驱动器的参数可以通过串行通信发送到外部设备进行监控或测试。

除了上述功能之外,设计人员还可以对自己的 LED 应用程序添加更多智能,包括通信(如 DALI 或 DMX)和控制自定义。

结论

8 位微控制器可用于创建有效的 LED 驱动器。除了提供高效能源、确保 LED 的最佳性能以及保持 LED 的长寿命外,微控制器还可以添加高级功能,使照明解决方案更具吸引力。




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沙发
| 2019-6-18 11:18 | 只看该作者
谢谢分享

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板凳
| 2019-6-18 22:59 | 只看该作者
8 位微控制器可以创建有效的 LED 驱动器,并添加高级功能,使照明解决方案更具吸引力。

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地板
| 2019-6-18 23:00 | 只看该作者
说明8位的就够,非常好。

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