低成本微處理器的高亮度LED控制設(shè)計(jì)

　　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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)HBLED有不同的光照強(qiáng)度，但如果需要一個(gè)控制回路，每個(gè)HBLED會要求一個(gè)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(gè)燈串只需要一個(gè)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。

　　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。 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(gè)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(gè)LED燈串范圍（0V-5V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.

　　圖1 開關(guān)式電源應(yīng)用于HBLED電源

　　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(gè)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(gè)降壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)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。

　　圖2 降壓升壓轉(zhuǎn)換示列

　　該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)降低了成本，不需要額外的電感器和電容器。此外，根據(jù)開關(guān)模式電源運(yùn)行的模式，它的傳遞函數(shù)減少為一個(gè)共用降壓或升壓轉(zhuǎn)換器，從而從控制的角度簡化了設(shè)計(jì)。

　　為了控制使用獨(dú)立開關(guān)模式電源拓?fù)涞腅MC,需要設(shè)置緩沖過濾器，并將它們添加到開關(guān)晶體管Q1和Q2上；且需要在兩通道間將軟件控制策略設(shè)為中心對齊PWM和開/關(guān)時(shí)延。

　　選擇適當(dāng)?shù)奈⒖刂破饔糜诤懔鱄BLED控制

　　開關(guān)模式電源（SMPS）要求準(zhǔn)確的開關(guān)頻率和占空比，PWM信號抖動會反映在輸出電壓，進(jìn)而反映在HBLED強(qiáng)度中。同時(shí)，為了節(jié)省感應(yīng)器成本和電容器大小，必須將開關(guān)頻率提高為數(shù)萬赫茲。模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率和通道可用性，對于隨時(shí)監(jiān)測和控制HBLED電流和電壓也很重要。

　　為了實(shí)現(xiàn)HBLED恒流控制，S08MP16測量反映在電流檢測電阻里的HBLED燈串電流，這個(gè)電阻與HBLED燈串進(jìn)行串聯(lián)。 S08MP16嵌入式12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以使用小電阻值，功耗極小。此外，通過使用ADC和電阻分壓器，可以測量過流和過壓情況下的SMPS輸出電壓及診斷開放負(fù)荷。

　　圖3 嵌入式PID控制框圖

　　為了控制開關(guān)式電源頻率和占空比，可以使用FlexTimer（FTM）模塊；在適合汽車版本中使用高達(dá) 40MHz的定時(shí)器操作頻率，可以生成高頻率和高分辨率的脈沖寬度調(diào)制（PWM），每個(gè)燈串上可與更多HBLED一起操作，在進(jìn)行小型操作時(shí)不會出現(xiàn)HBLED強(qiáng)度不穩(wěn)定的情況。此外，可編程時(shí)延模塊（PDB）用于在該應(yīng)用程序中，可以將ADC讀數(shù)與PWM 切換頻率同步，從而確保只有在ON（開）狀態(tài)下電流出現(xiàn)穩(wěn)定時(shí)才會顯示ADC讀數(shù)。