LED 调光引擎：基于 8 位 MCU 的开关模式可调光 LED 驱动器解决方案

开关模式可调光 LED 驱动器以其高效率和对 LED 电流的控制而闻名。它们还可以提供调光功能，使终用户能够创造出梦幻般的照明效果，同时降低功耗。

8 位微控制器( MCU) 实现可以提供必要的构建块来创建支持通信、定制和智能控制的解决方案。此外，与纯模拟或 ASIC 实施相比，独立于的外设集成提供了显着的灵活性，并实现了扩展照明产品功能并提供产品差异化的创新。预测性故障和维护、能源监控、颜色和温度维护以及远程通信和控制等功能只是使智能照明解决方案更具吸引力的一些先进功能。

尽管 LED 驱动器比以前的照明解决方案具有许多优势，但其实施过程中也存在挑战。但不用担心，读完本文后，您将了解如何使用 8 位 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开关模式 LED 驱动解决方案。

8 位微控制器可用于独立控制多达四个 LED 通道，这是大多数现成 LED 驱动器控制器无法提供的功能。在图 1 中，LED 调光引擎可以利用微控制器中可用的外设来创建。这些引擎中的每一个都有一个独立的封闭通道，可以在少甚至无需中央处理单元（CPU）干预的情况下控制开关模式电源转换器。这使得 CPU 可以自由地执行其他重要任务，例如监控功能、通信或系统中的附加智能。

由 Microchip PIC16F1779 8 位微控制器控制的四个 LED 灯串的示意图

图 1：由 Microchip PIC16F1779 8 位微控制器控制的四个 LED 灯串的示意图

LED调光引擎

在图 2 中，基于电流模式升压转换器的 LED 驱动器由 LED 调光引擎控制。该引擎主要由独立外设（CIP）组成，如互补输出发生器（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）和脉宽调制器3（脉宽调制3）。将这些 CIP 与其他片上外设（例如固定电压调节器 (FVR)、数模转换器 (DAC) 和捕捉/比较/PWM (CCP)）相结合，即可完成整个引擎。 COG 向 MOSFET Q1 提供高频开关脉冲，以允许将能量和电源电流传输到 LED 灯串。 COG 输出的开关周期由 CCP 和占空比设置，从而保持 LED 恒定电流并由比较器输出决定。只要 Rsense1 两端的电压超过 PRG 模块的输出，比较器就会产生输出脉冲。 PRG 的输入源自反馈电路中的 OPA 输出，被配置为斜率补偿器，以抵消占空比大于 50% 时固有的分谐波振荡的影响。

OPA 模块被实现为具有 II 类补偿器配置的误差放大器 (EA)。 FVR 用作 DAC 输入，根据 LED 恒流规范为 OPA 非反相输入提供电压参考。

为了实现调光，PWM3 用作 CCP 输出的调制器，同时驱动 MOSFET Q2 以快速循环 LED 开和关。通过 DSM 模块进行调制，并将调制后的输出信号馈送到 COG。 PWM3 提供具有可变占空比的脉冲，控制驱动器的平均电流，从而有效控制 LED 的亮度。

LED 调光引擎不仅可以完成典型 LED 驱动器控制器的功能，而且还具有解决 LED 驱动器带来的典型问题的功能。现在，我们将介绍这些问题以及如何使用 LED 调光引擎来避免这些问题。

　
图 2：LED 调光引擎

闪烁

闪烁是典型开关模式可调光 LED 驱动器可能面临的挑战之一。虽然故意闪烁可能是一种有趣的效果，但当 LED 无意中闪烁时，它可能会破坏用户想要的照明设计。为了避免闪烁并提供平滑的调光体验，驱动器应执行从 100% 光输出一直降至低端光水平的调光步骤，并具有连续流畅的效果。由于 LED 会立即响应电流变化并且不具有阻尼效应，因此驱动器必须具有足够的调光步骤，以便眼睛不会察觉到变化。为了满足这一要求，LED 调光引擎采用 PWM3 来控制 LED 的调光。 PWM3 是一款 16 位分辨率 PWM，具有从 100% 到 0% 占空比的 65536 个步长，可确保平滑的照明级别转换。

LED 色温变化

LED 驱动器还可以改变 LED 的色温。这种颜色变化可能会引起消费者的注意，并削弱有关 LED 高质量照明体验的主张。 图 3 显示了典型的 PWM LED 调光波形。当 LED 关闭时，由于输出电容缓慢放电，LED 电流逐渐减小。此事件可能导致 LED 色温变化和更高的功耗。

图3：LED调光波形

输出电容器的缓慢放电可以通过使用负载开关来消除。例如，在图2中，电路使用Q2作为负载开关，LED调光引擎同步关闭COG PWM输出和Q2，以切断衰减电流的路径并允许LED快速关闭。

电流峰值

当使用开关模式电源转换器来驱动LED时，反馈电路用于调节LED电流。然而，在调光期间，如果操作处理不当，反馈电路可能会产生电流峰值（见图 3）。回顾图 2，当 LED 亮起时，电流会传输到 LED，RSENSE2 两端的电压会馈送到 EA。当 LED 关闭时，没有电流传输到 LED，RSENSE2 电压变为零。在调光关闭期间，EA 输出增加到值并对 EA 补偿网络过度充电。当调制的 PWM 再次打开时，需要几个周期才能恢复，同时高峰值电流被驱动到 LED。这种电流峰值情况会缩短 LED 的使用寿命。

为了避免此问题，LED 调光引擎允许将 PWM3 用作 OPA 的覆盖源。当 PWM3 为低电平时，EA 的输出为三态，将补偿网络与反馈环路完全断开，并将稳定反馈的一个点保持为存储在补偿电容器中的电荷。当 PWM3 为高电平且 LED 再次打开时，补偿器网络重新连接，EA 输出电压立即跳至先前的稳定状态（在 PWM3 为低电平之前），并几乎立即恢复 LED 电流设定值。

完整的解决方案

如前所述，LED 调光引擎可以在少甚至无需 CPU 干预的情况下运行。因此，在将控制 LED 驱动器的所有工作卸载到 CIP 的同时，CPU 还拥有大量带宽来执行其他重要任务。通过处理检测到的输入和输出电压，可以执行欠压锁定 (UVLO)、过压锁定 (OVLO) 和输出过压保护 (OOVP)等保护功能。这可确保 LED 驱动器在所需规格内运行，并保护 LED 免受异常输入和输出条件的影响。 CPU 还可以处理来自传感器的热数据以实施 LED 的热管理。此外，当设置 LED 驱动器的调光级别时，CPU 可以处理来自简单外部开关的触发或来自串行通信的命令。同时，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，设计人员还可以在自己的 LED 应用中添加更多智能，包括DALI或 DMX 等通信以及控制定制。图 4 显示了使用 LED 调光引擎的完整开关模式可调光 LED 驱动器解决方案的示例。

图 4：开关模式可调光 LED 驱动器解决方案

结论

LED 调光引擎可用于创建有效的开关模式可调光 LED 驱动器。效率等同于其驱动多个 LED 灯串、提供高效能源、确保 LED 的性能、保持 LED 的较长使用寿命以及增加系统智能的能力。