Microchip dsPIC在LED照明的解決方案
加入技術(shù)交流群
放電過程
當(dāng)開關(guān)斷開（MOS管截止）時的等效電路。當(dāng)開關(guān)斷開（MOS管截止）時，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會馬上變?yōu)?,而是緩慢的由充電完畢時的值變?yōu)?.而原來的電路已斷開，于是電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時電壓已經(jīng)高于輸入電壓了。升壓完畢。
恒流過程
在輸出負載端加入一個采樣電阻，將負載兩端電流情況通過AD,反饋給MCU處理，調(diào)整輸出PWM占空比，實現(xiàn)恒流處理。
調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計
LED調(diào)光決方案及規(guī)范一直在不斷變化，直到現(xiàn)在還未固定下來，所以現(xiàn)在市場上存在PWM、模擬及可控硅（TRAIC）三種調(diào)光方案。三種方案中模擬調(diào)光較為簡單，實現(xiàn)比較容易。模擬調(diào)光方案的缺點是，LED電流的調(diào)節(jié)范圍局限在某個最大值至該最大值的約10%之間（10:1調(diào)光范圍），由于LED的色譜與電流有關(guān)，因此這種方法并不適合于某些應(yīng)用?？煽毓瑁═RAIC）調(diào)光方案是目前市場中比較常用的方案，它是基于傳統(tǒng)光源如白熾燈的一種調(diào)光方案，其優(yōu)點在于不需要改變現(xiàn)有房間布線，施工簡單，通用性比較強，但是其本身是利用犧牲功率因數(shù)和增加了電路的復(fù)雜性為代價，而且可控硅（TRAIC）調(diào)光也不可以實現(xiàn)無極調(diào)光，當(dāng)可控硅的導(dǎo)通角低到一定程度時，燈具就會出現(xiàn)閃爍，這是其方案原理決定的。PWM調(diào)光是調(diào)光市場的主流方案，其優(yōu)點如下：
1、用PWM調(diào)光從零到最光，都不會有閃爍的現(xiàn)象。
2、性能會更好。因為調(diào)光輸出功率采用了功率因數(shù)校正電路，這是配合全球?qū)艄獠捎霉β室驍?shù)有強制性的要求，雖然一般從25W開始有這要求，但美國要求燈光從零瓦起已需強制性功率因數(shù)校正電路。如采用TRAIC調(diào)光將犧牲功率因數(shù)和增加了電路的復(fù)雜性。因此，采用PWM調(diào)光可以提供最好性能的選擇，也是未來的趨勢。
3、成本會更好。用PWM調(diào)整占空比，不需要太多額外的控制電路成本。
4、不管調(diào)光程度有多大，允許LED一直在優(yōu)化的和恒定的電流下工組。
5、在整個調(diào)光范圍內(nèi)LED顏色色調(diào)保持一致（顏色色調(diào)像流明輸出一樣隨LED工作電流而變化）。
dsPIC MCU在系統(tǒng)設(shè)計過程中就是采用PWM調(diào)光方式。dsPIC MCU配備有4到8通道PWM,可輕松實現(xiàn)RGB真彩調(diào)光，配合10位片上ADC,管理和檢測每一組燈的實時運行情況，達到更優(yōu)的工作效果。
通訊系統(tǒng)設(shè)計
0-10V,DALI,DMX512是目前LED照明系統(tǒng)中常用的三種通訊方式，DMX512由于其數(shù)據(jù)傳輸高效性和傳輸距離遠特點，逐漸成為主流方案。
DMX512協(xié)議是Digital Multiplex的縮寫，是由美國劇場技術(shù)協(xié)會USITT提出的。最原始的版本出版于1986年，在1990年做了修改，USITT DMX512/1990是調(diào)光和燈光控制臺數(shù)據(jù)傳輸 標(biāo)準(zhǔn)是燈光行業(yè)數(shù)字化設(shè)備的通用信號控制協(xié)議，同時也是是一種國際協(xié)議。
DMX512的優(yōu)點：
1. 硬件成本相對低廉，協(xié)議簡單可靠。
2. 信號管道為總線型拓撲結(jié)構(gòu)，一個終端的失效不會影響其它終端的正常工作，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。
3. 差分電平工作方式，傳輸距離遠，更適合離散分布的燈具。
4. 協(xié)議為國際通用協(xié)議，兼容性好。
5. 控制靈活方便，深得原傳統(tǒng)舞臺燈光從業(yè)者青睞。
DMX512的不足：
1.總線結(jié)構(gòu)使得DMX設(shè)備終端數(shù)有所限制，一般為32個，需要加信號分配器。
2.總線結(jié)構(gòu)決定了必須通過地址來區(qū)別不同的設(shè)備終端，設(shè)定地址顯得不太方便。
3.如果不作擴展512個數(shù)據(jù)通道難以滿足LED燈具的控制要求。
4.編程比較復(fù)雜，只適合較為專業(yè)的燈光從業(yè)人員或?qū)I(yè)人士使用。
針對DMX512的不足，本方案對原DMX512協(xié)議進行了一定程度的擴展，很好的解決了其不足：
1.通過加串行信號放大器的方式避免原來星形的信號分配器的方式，大大降低工程布線難度。
2.提供已通過測試的DMX512協(xié)議給客戶使用，縮短客戶對DMX512熟悉時間，加快開發(fā)周期。
dsPIC33方案除了提供DMX512通訊方式外，由于MCU的通用性，其外設(shè)還支持紅外接口和RF接口，實現(xiàn)無線控制方式，增加產(chǎn)品的賣點；同時也可以使用內(nèi)部帶CAN的dsPIC33芯片，將LED燈與汽車產(chǎn)品連接，如汽車儀表盤背景燈，閱讀燈等，增加產(chǎn)品類型。
結(jié)論
基于dsPIC33 LED驅(qū)動單芯片解決方案，將電源控制及系統(tǒng)管理合二為一，降低了硬件設(shè)計的復(fù)雜程度，同時又兼顧了驅(qū)動輸出路數(shù)設(shè)計的靈活性，可通過改變控制芯片外圍的存儲器中的內(nèi)容，實現(xiàn)對LED電流大小、亮滅時間、亮滅模式、環(huán)境亮度及系統(tǒng)溫度等控制參數(shù)的定制，還可通過MCU的通訊接口對系統(tǒng)進行遠距離調(diào)光控制和無線控制?；赿sPIC33 LED驅(qū)動單芯片解決方案具有以下優(yōu)點：
低成本--單芯片解決多路恒流控制，省去專用的恒流芯片，有效地降低了系統(tǒng)成本。
高效率--非隔離開關(guān)電源，沒有變壓器的漏磁損耗，轉(zhuǎn)換效率高，系統(tǒng)滿載時整體效率高達95%.
驅(qū)動能力強--最多可以支持8路非隔離恒流驅(qū)動輸出，可驅(qū)動8串（每串不少于14個）LED,總輸出功率不低于100W.
控制靈活--采用高性能DSC作為控制核心，可充分發(fā)揮MCU實時控制功能的優(yōu)勢，每路LED的電流大小、亮滅方式等均可獨立控制。
擴展性好--配置溫度、亮度、色溫等檢測接口，支持串口、I2C,CAN等通訊接口，為系統(tǒng)集成做好了鋪墊。
方案介紹
Microchip 公司的dsPIC33F系列是高性能16 位數(shù)字信號控制器（DSC），采用改進型哈佛架構(gòu)和C 編譯器優(yōu)化指令集，具有16 位寬數(shù)據(jù)總線和24 位寬指令，3.0-3.6V 時的工作速度達40MIPS,在LED驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用中，可以很方便實現(xiàn)多路開關(guān)電源（SMPS）和其它數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器如AC/DC轉(zhuǎn)換器，DC/DC轉(zhuǎn)換器，功率因素修正（PFC），恒流檢測等功能， 本文就重點介紹利用dsPIC33 MCU實現(xiàn)LED電源，驅(qū)動，調(diào)光，通訊等一系列應(yīng)用，下面逐一將設(shè)計思路呈現(xiàn)個大家。
電源部分設(shè)計
LED的壽命最終取決于對流經(jīng)LED的電源的處理，目前由于對成本的追求，很多LED燈具廠家還在使用阻容降壓方式的電源給LED供電，這對LED性能造成很大的傷害，其產(chǎn)品性能也大打折扣；另外由于世界各國及地區(qū)的電力環(huán)境不同，民用電壓也存在差異，各國電器的電壓適用范圍也不同，高品質(zhì)LED燈具廠在制作LED電源時，都會采用數(shù)字電源方式以使LED能夠獲得最干凈的電源，延長LED的工作壽命。
dsPIC33F “GS”系列數(shù)字電源DSC可全面支持?jǐn)?shù)字控制環(huán)路，因為它們均配備4至8個分辨率為1納秒（ns）的PWM,多達4個20ns的比較器以及1或2個采樣率為2 - 4 MSPS、具有低延遲及高分辨率控制的10位片上ADC,而每個比較器對應(yīng)有1個集成的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。這些器件采用18至44引腳，具有6至16 KB閃存。這些器件的交互式外設(shè)既可將處理器的干預(yù)減至最低，又能滿足高速電流模式控制的實時需求。
首先將差異性較大的民用交流電轉(zhuǎn)化為直流電壓，在此過程中通過K1、K2、K3采集外界電壓變化，由dsPIC33 PWM控制輸出電壓大小，保證輸出電壓的穩(wěn)定性，適用于各種電壓范圍，大大降低了因為民用電壓不同而需要生產(chǎn)不同型號LED燈具的困擾。
然后dsPIC33產(chǎn)生的SPWM驅(qū)動全橋電路，產(chǎn)生交流電壓，通過互感器檢測波形，經(jīng)變壓隔離后，再進行PFC調(diào)整輸出安全穩(wěn)定的直流電壓供后續(xù)處理供LED使用。
典型的BUCK電路，通過PWM波形和AD組成的閉環(huán)電路，有效的控制輸出穩(wěn)定性，特別指出在該方案中對續(xù)流二極管的處理，既增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性，也降低了功耗。
LED驅(qū)動部分設(shè)計
目前市場中有很多LED驅(qū)動專用芯片，優(yōu)點是電路簡單，體積小，成本低，但是這種電路也有其無法克服的缺點，如：設(shè)計單一，智能水平低，驅(qū)動電流小，無法做升壓電路，無法量化輸出等。
dsPIC系列MCU,配備4至8個分辨率為1納秒（ns）的PWM和采樣率為2 - 4 MSPS的10位AD,通過MCU PWM控制MOS對流經(jīng)LED的電流進行控制，高分辨率可以讓輸出電流電壓做到精細化調(diào)整，AD采集實時電流，量化輸出，對LED的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控，PWM與AD構(gòu)成閉環(huán)控制，最大程度穩(wěn)定LED的工作狀態(tài)，縮小由于LED自身差異性造成的不穩(wěn)定性。
Boost升壓恒流過程要分充電和放電兩個部分來說明這個電路。
評論