如何設(shè)計(jì)三通道LED驅(qū)動(dòng)器
時(shí)間：2013-05-09 來源：重慶網(wǎng) 作者：cqw.cc 我要糾錯(cuò)
固態(tài)照明正敏捷成為機(jī)電工程與設(shè)計(jì)領(lǐng)域的熱門之一。LED實(shí)現(xiàn)了機(jī)動(dòng)性與高效性的聯(lián)合，這是傳統(tǒng)照明技巧無奈比較的。LED可以長時(shí)間提供穩(wěn)固牢靠的照明，而且采用小型封裝，因此正在建造和舞臺(tái)照明利用范疇得到普遍采用。然而，每種不同的照明運(yùn)用都有其奇特性，不同的市場范疇需要具備不同特性的產(chǎn)品。因此，市場中集成電路的專業(yè)化趨勢(shì)一直增強(qiáng)，也導(dǎo)致原來已經(jīng)品種繁多的產(chǎn)品型號(hào)變得更加豐碩多彩。可編程混合信號(hào)微控制器正得到疾速采用太陽能路燈，因?yàn)閱蝹�(gè)微控制器能集成脈寬調(diào)制器(PWM)、通信接口、放大器、比較器及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等多種外設(shè)。
通過將上述外設(shè)的完美組合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)功能豐盛而強(qiáng)盛的可調(diào)光降壓轉(zhuǎn)換器等器件的控制。用于LED驅(qū)動(dòng)器利用的降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)為電流模式調(diào)節(jié)器，由于LED是電流模式器件。我們從LEDV-I曲線能夠看出，正向電壓稍有變更，就會(huì)對(duì)電流發(fā)生較大影響。因而，任何LED驅(qū)動(dòng)器電路的反饋都應(yīng)視為電流。此外，我們應(yīng)應(yīng)用恒定電流，由于制作商會(huì)依據(jù)正向電流電平設(shè)定LED的色彩與強(qiáng)度。上述特征相稱主要，因?yàn)槲覀円ㄟ^有關(guān)特征值來確保系統(tǒng)合乎整體標(biāo)準(zhǔn)的請(qǐng)求。
圖1給出了典范的LED系統(tǒng)，包含通訊接口、不同色彩的LED(每種顏色都代表一個(gè)通道)、智能化功能以及每個(gè)通道的恒定電流驅(qū)動(dòng)器。通訊接口可認(rèn)為DMX512或DALI，這是兩種尺度的照明協(xié)定，此外也可認(rèn)為ZigBee或無線USB接口。智能化功能可通過內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)與LED調(diào)光外設(shè)的微控制器實(shí)現(xiàn)。ADC用于監(jiān)控溫度與LED電流等系統(tǒng)變量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控與色彩混合義務(wù)。驅(qū)動(dòng)器為通道中的每個(gè)LED供給恒定電流。驅(qū)動(dòng)器的龐雜性與品質(zhì)決議了驅(qū)動(dòng)器的價(jià)錢。
圖1：典范的LED系統(tǒng)方框圖。
磁滯降壓控制器
在微掌握器上集成LED驅(qū)動(dòng)器有助于減小整系統(tǒng)統(tǒng)解決方案的尺寸。當(dāng)初，簡直不什么解決計(jì)劃將開關(guān)模式電源(SMPS)這樣的高功率元件與微把持器的智能化功效完善聯(lián)合在一起。退而求其次，就是將SMPS的反饋與把持電路完善集成在微節(jié)制器中。如圖1所示，CY8CLED16EZ-Color器件正好具備上述功效所需的模仿電路。在該設(shè)計(jì)計(jì)劃中，SMPS拓?fù)錇殡娏髂Ｊ娇煽卮艤祲恨D(zhuǎn)換器架構(gòu)(見圖2)太陽能路燈。
圖4：降壓轉(zhuǎn)換器的充電階段(圖a)與放電階段(圖b)。
轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)落后入充電階段，直至電感器電流到達(dá)ITH_HIGH閾值。電流到達(dá)閾值所需的時(shí)間稱作回升時(shí)間(trise)，trise取決于輸入電壓與電感器電流值：
其中，VF為串聯(lián)LED的正向電壓。
因?yàn)樯鲜龇匠淌降姆帜甘请姼兄担虼松仙龝r(shí)間與電感值成正比例。縮短上升時(shí)間對(duì)調(diào)光無比主要，因?yàn)闇p小脈沖寬度有利于應(yīng)用較高分辯率的調(diào)制器，但這并不是使用較小電感值的獨(dú)一起因。低值電感器(存在相稱高的額外電流)從物理上說比高值電感器的體積更小，成本更低，統(tǒng)一尺寸封裝的低值電感器比高值電感器支持的電流更高。
平均電流誤差
圖3顯示了LED電流的幻想波形，但沒斟酌比較器的響應(yīng)時(shí)光(tr)。比較器的響應(yīng)時(shí)間(tr)是指輸出電壓針對(duì)輸入電壓超過DAC參考電壓轉(zhuǎn)變狀況所需的時(shí)間。假如將這個(gè)因素斟酌在內(nèi)，就會(huì)影響LED電流的過沖、紋波及均勻值。均勻電流誤差要?dú)w因于比較器限定的響應(yīng)時(shí)間以及電感波形的坡形不均衡引起的。請(qǐng)留神，在圖3中，充電坡度比放電坡度更陡一些，這是因?yàn)檩斎腚妷捍蟠蟾哂贚ED正向電壓而引起的。因?yàn)槌潆娦甭蚀笥诜烹娦甭剩蚨容^器響應(yīng)時(shí)光發(fā)生的平均電流也將大于圖5所示的冀望值。
圖2：磁滯控制器。
啟動(dòng)時(shí)，通過電感的電流開端回升，直至比擬器正輸入的電壓大于比擬器負(fù)輸入的電壓。隨后，轉(zhuǎn)換器將作為自在運(yùn)行的振蕩器，電流會(huì)在兩個(gè)層面間充電跟放電。
ITH_HIGH與ITH_LOW的大小可由并聯(lián)電阻、RIN與RHYST反饋電阻以及DAC輸出電壓通過下列等式盤算得出。我們可以看到，RHYST值越大，ITH_HIGH與ITH_LOW的差就越小LED路燈。
合上PFET將啟動(dòng)充電進(jìn)程(如圖4a所示)，電感器開始充電。比較器可通過測(cè)量并聯(lián)電阻電壓來監(jiān)控電感器電流。當(dāng)電流達(dá)到閾值ITH_HIGH時(shí)，就開端進(jìn)入放電進(jìn)程(如圖4b所示)。在放電階段，電流暢過續(xù)流二極管放電。續(xù)流二極管維護(hù)電路元件免受電感反沖的影響，并且堅(jiān)持LED處于打開狀況。LED中的電流超過ITH_LOW閾值后，充電過程再次開始。
圖3：幻想的LED電流波形。
圖5：電流誤差詳圖。
實(shí)際峰值電流即是峰值電流閾值與峰值電流誤差之跟，而谷值電流則即是谷值電流閾值與谷值電流誤差之和(如下列方程式所示)。除了比較器的響應(yīng)時(shí)間外，我們從峰值電流盤算式中還可看出，輸入電壓、電感值與LED正向電壓都會(huì)影響峰值電流誤差。我們從谷值電流算式中則可以看出，正向電壓會(huì)影響谷值電流誤差。
其中，VD為續(xù)流二極管的正向電壓。
我們可依據(jù)電感容差與LED正向電壓的差值計(jì)算出電流誤差。然而，如果我們的系統(tǒng)采用了具備8:1模擬乘法器與可編程增益放大器的積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，那么我們也可用該轉(zhuǎn)換器來丈量電流誤差。我們通過校訂算法來丈量并處置電流誤差，隨后再轉(zhuǎn)變DAC的輸出電壓來設(shè)置新的閾值。
圖7：電平轉(zhuǎn)換器詳圖。
利用軟件工具實(shí)現(xiàn)更簡化的解決方案
圖8：單通道的模仿模塊布局。
磁滯降壓轉(zhuǎn)換器要采用EZ-Color，須要將用戶模塊嵌入到PSoCDesigner中，以便在芯片的模擬段與數(shù)字段之間進(jìn)行切換。如圖8所示，比較器用戶模塊放在持續(xù)時(shí)間模塊中，9位DAC放在兩個(gè)開關(guān)電容模擬塊間LED燈具，提供其負(fù)輸入。比較器的正輸入通過4:1的多路復(fù)用器路由，輸前途由至比較器數(shù)字總線，再經(jīng)由反相，對(duì)消電平轉(zhuǎn)換器電路的反相區(qū)(如圖8所示)。比較器數(shù)字總線發(fā)送數(shù)字信號(hào)至芯片的數(shù)字段，也是數(shù)字信號(hào)走線的處所(如圖9所示)。
圖6：支持平均電流誤差校訂的磁滯控制器。
電平轉(zhuǎn)換電路
如圖7所示，當(dāng)柵極Q1的邏輯電平為高時(shí)LED路燈，柵極Q3通過火壓器翻開；柵極Q4短接至VIN將封閉柵極Q3。當(dāng)柵極Q1的邏輯電平為低時(shí)，分壓器中無電流暢過，將柵極Q2銜接至VIN，此時(shí)柵極Q4短接至地面，并翻開PFET。這樣，輸入為高時(shí)路燈路燈，開關(guān)封閉，輸入為低時(shí)，開關(guān)打開，這就闡明了EZ-Color器件內(nèi)置比較器的輸出為什么會(huì)呈現(xiàn)反相區(qū)。只有輸入電壓不超過晶體管Q2與Q4的VGS(MAX)值，如圖7所示的電平轉(zhuǎn)換電路就能畸形工作。假如咱們從VIN到源極Q2之間增添齊納二極管與電容器，再在齊納二極管的陽極至接地之間采取偏置電路，那么該電路就可實(shí)用于較大的輸入范疇。
圖9：單通道的數(shù)字模塊布局。
以上各圖顯示了如何配置EZ-Color模擬與數(shù)字模塊，以實(shí)行降壓轉(zhuǎn)換器。COMP_BUF模塊路由比較器總線到數(shù)字段，隨后它可路由到電源電路系統(tǒng)，不外不是直接路由到控制電路，而是與16位PWM數(shù)字模塊的輸出做AND操作，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。圖8和圖9中的3個(gè)地位樣本可放置在CY8CLED16部件上，從而實(shí)現(xiàn)3通道可調(diào)光輸出的復(fù)合系統(tǒng)。
應(yīng)用3個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，每個(gè)通道都能通過高精度照明信號(hào)調(diào)制(PrISM)調(diào)光，或應(yīng)用PWM太陽能路燈價(jià)格，咱們就能掌握3通道LED體系的顏色。用8位微節(jié)制器實(shí)現(xiàn)色彩混雜相稱龐雜，不外有些集成電路公司嘗試了這種做法并獲得了勝利。PSoCExpress等軟件工具具備預(yù)編寫、預(yù)驗(yàn)證的顏色混雜代碼，使開發(fā)照明設(shè)計(jì)變得極其簡略。PSoCExpress是一款支撐用戶界面功能的設(shè)計(jì)創(chuàng)立工具，也支撐體系外設(shè)編碼，能夠通過拖放實(shí)現(xiàn)工作，并在GUI環(huán)境中銜接至驅(qū)動(dòng)程序。所天生的名目文件兼容于所有賽普拉斯的EZ-Color器件。
應(yīng)當(dāng)采用哪種調(diào)光辨別率？
你可能已經(jīng)留神到了，本名目中采用了16位分辨率調(diào)光，之所以這樣做，是因?yàn)樵诠庹諒?qiáng)度較低的情形下，我們需要16位來保持高精度的色彩控制。如果強(qiáng)度為100%，那么準(zhǔn)確匹配就僅須要8位的辨別率，如強(qiáng)度為1%，則分辯率應(yīng)為14.6位。EZ-Color中，16位分辨率的PWM調(diào)光頻率為732Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于肉眼所能看到的頻率。PWM模塊時(shí)鐘頻率設(shè)定為48MHz，就能取得這種調(diào)光頻率。
本文小結(jié)
我們采用賽普拉斯的EZ-Color等混合信號(hào)微控制器控制LED照明系統(tǒng)，因?yàn)檫@種微控制器集成了ASIC實(shí)行所需的大局部功能。通過采取磁滯降壓轉(zhuǎn)換器，EZ-Color能供給低本錢的SMPS拓?fù)洌捎煤愣娏黩?qū)動(dòng)LED。集成式混合信號(hào)解決方案十分合適照明設(shè)計(jì)，不僅能下降元件本錢，而且還能縮短設(shè)計(jì)周期。賽普拉斯的EZ-Color集成了SMPS控制、智能化色彩混合功能與DMX512接口，使其成為多種LED照明運(yùn)用設(shè)計(jì)的便捷抉擇。
賽普拉斯半導(dǎo)體 | Patrick Prendergast
標(biāo)簽：
