一種低成本微處理器的高亮度LED控制解決方案

高亮度LED(HBLED)在汽車、消費(fèi)電子和工業(yè)市場正在快速普及。 色彩絢麗、壽命長、能源效率高，這些是高亮度LED成為照明應(yīng)用未來發(fā)展趨勢的部分原因。

在汽車行業(yè)，HBLED技術(shù)使車輛在造型、安全、燃油的經(jīng)濟(jì)性方面與眾不同，從簡單的開關(guān)照明、LCD背光到亮度極高的頭燈應(yīng)用都包括在內(nèi)。但是，高效、可靠地控制HBLED的亮度，不是一件容易的事情;功率級效率，熱設(shè)計(jì)和EMC是涉及HBLED的應(yīng)用中最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)難題。 通常情況下，使用專用恒定電流驅(qū)動器(CCD)來驅(qū)動HBLED串來解決大部分重要設(shè)計(jì)問題，并簡化設(shè)計(jì)。不過，CCD通常比基于微控制器的解決方案更貴。本文介紹使用8位微控制器(MCU)和低成本的分離解決方案來實(shí)施智能HBLED照明控制，從而避免使用高昂的模擬驅(qū)動或CCD。

高亮度LED的重要特征

正如在低強(qiáng)度LED中的情況一樣，高亮度LED的發(fā)光強(qiáng)度與通過的電流程成正比。該電流通常被稱作正向電流(IF)，在HBLED中的范圍是 100mA~1000mA。 同時(shí)，每當(dāng)HBLED進(jìn)行極化時(shí)，都會出現(xiàn)壓降，稱為正向電壓(VF)。在HBLED中，光度和色度與IF成正比，因此對通過HBLED的電流進(jìn)行精確控制顯得至關(guān)重要。

具有相同部件號和技術(shù)規(guī)范的HBLED，不一定擁有完全相同的VF值。當(dāng)通過兩個HBLED的電流IF相同時(shí)，它們的后向電壓VF可能不同。 因此，通過恒定電壓的方式控制LED強(qiáng)度，可能會導(dǎo)致HBLED和HBLED之間的密度不同，并且要確保所有HBLED具有相同亮度，則必須提供一個電流控制。

不僅發(fā)光強(qiáng)度與通過HBLED的電流有關(guān)，色度也與HBLED電流有關(guān)。 為了保持HBLED顏色，HBLED必須采用恒定電流進(jìn)行驅(qū)動。本解決方案將使用PWM(脈寬調(diào)制)，從而在HBLED(光照強(qiáng)度)中提供一個更低的平均電流，而同時(shí)還能保持相同的瞬時(shí)電流(LED顏色)。

隨著HBLED電流增加，功耗也將增加。電流為350mA。壓降為3V的HBLED大約會消耗1瓦的電，如果不進(jìn)行正確的熱管理，這種耗散可能會導(dǎo)致 HBLED過熱和長期性能下降。熱設(shè)計(jì)的另一個重要方面是，HBLED發(fā)光強(qiáng)度與LED結(jié)溫成反比，隨著溫度增加，發(fā)射器的顏色會進(jìn)入更高的波長。

驅(qū)動高亮度LED所面臨的難題

在低強(qiáng)度LED中，使用電阻來限制IF電流非常普遍。 在HBLED中，電阻的額定功率必須更高，這會導(dǎo)致系統(tǒng)效率低下。 因此，在HBLED系統(tǒng)中，開關(guān)模式電源(SMPS)被用來提高效率和降低功耗。由于SMPS需要能源存儲組件(電感器和電容器)，因此價(jià)格通常更貴;同時(shí)，SMPS還可能造成噪音或EMI問題。

一組HBLED可以同時(shí)通過并聯(lián)或串聯(lián)方式驅(qū)動，并聯(lián)驅(qū)動使每個HBLED有不同的光照強(qiáng)度，但如果需要一個控制回路，每個HBLED會要求一個專用控制，因此對于大量HBLED來說費(fèi)用過高。

以并聯(lián)方式連接HBLED時(shí)，每個燈串只需要一個驅(qū)動和控制回路，穿過串聯(lián)中所有HBLED的電流都相同，從而為它們提供相對恒定的亮度。 根據(jù)串聯(lián)的LED數(shù)量，線路穿要求的電壓可能低于或高于輸入電壓。

采用基于微控制器的解決方案

市場上有大量用來驅(qū)動HBLED恒定電流的解決方案，其中一部分基于專用智能模擬驅(qū)動，另一部分使用數(shù)字信號處理器(DSP)或帶獨(dú)立模擬驅(qū)動的微控制器。

人們普遍認(rèn)為，基于MCU的解決方案不是執(zhí)行HBLED恒流控制的最好方法，特別是系統(tǒng)采用分離元件構(gòu)建的開關(guān)式電源時(shí)會變得不夠穩(wěn)定，并且不可能通過EMC認(rèn)證。 飛思卡爾半導(dǎo)體公司現(xiàn)已創(chuàng)建了一款用于雙燈串HBLED照明控制的設(shè)計(jì)樣例。該HBLED基于S08MP16八位微控制器，MCU負(fù)責(zé)測量來自LED燈串的電流饋電，使用PID控制算法進(jìn)行處理，從而控制獨(dú)立的降壓升壓開關(guān)式電源的操作，通過HBLED燈串確保最佳電流流量。

該微控制器還負(fù)責(zé)監(jiān)控用戶輸入、電池電壓和溫度傳感器，診斷實(shí)時(shí)的LED電源供應(yīng)狀態(tài)，一些特別的通信功能，如LIN功能也可以在同一個微控制器中實(shí)施。

開關(guān)式電源用來提供到HBLED的電源，它是離散降壓升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以在1到18個LED燈串范圍(0V?65V的連續(xù)范圍)內(nèi)操作，并且在頻率為350kHz時(shí)運(yùn)行500mA的輸出電流。應(yīng)用框圖見圖1。開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)面臨的難題

對于大量HBLED，需要提供降壓升壓電源，以便感應(yīng)高于或低于電池電壓(VBAT)的輸出電壓( VOUT )。

現(xiàn)在有許多降壓升壓拓?fù)淇梢允褂茫鏑UK電路或SEPIC轉(zhuǎn)換器，每個拓?fù)湓谝蟮脑?shù)量、正負(fù)電壓基準(zhǔn)和效率方面具有不同的要求和各自的優(yōu)勢。

在本設(shè)計(jì)中選用的開關(guān)模式電源組合了一個降壓轉(zhuǎn)換器和一個升壓轉(zhuǎn)換器，它們使用共同的電感器和電容器，將操作模式從降壓變成升壓或從升壓變成降壓需要取決于晶體管Q1和Q2的狀態(tài)，如圖2所示。