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采用混合信號高電壓單片機(jī)實現(xiàn)LED降壓

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關(guān)鍵詞: LED,開關(guān)電源,轉(zhuǎn)換器,單片機(jī)

      LED背景知識

      近年來,LED逐漸成為一種可行的新興光源,它們已經(jīng)不再僅僅用作電子設(shè)備的“狀態(tài)指示燈”。技術(shù)進(jìn)步使得LED的發(fā)光效率通常可達(dá)白熾燈的三倍多,此外,LED還非常耐用,壽命超過上萬小時。

      針對照明應(yīng)用的大功率LED要采用恒流源驅(qū)動,一些標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動電流常常用在不同LED生產(chǎn)商的產(chǎn)品中,其中,350mA和700 mA最為常見。根據(jù)串聯(lián)結(jié)的類型和數(shù)量,LED兩端的正向壓降可能不同。許多生產(chǎn)廠商的大功率LED產(chǎn)品都在單個模塊中集成了多個結(jié)。

      驅(qū)動LED的一種簡單方法是采用串聯(lián)電阻來限制電流。線性穩(wěn)壓器或運(yùn)算放大器也可連接成恒流配置。然而,此類線性方法無法在所需要的功率水平下提供足夠的效率。

      開關(guān)電源(SMPS)為LED驅(qū)動提供了效率更高的解決方案,它可以將輸入電壓升/降至適當(dāng)?shù)碾娖剑瑥亩峁┧枰腖ED電流。系統(tǒng)輸入電壓范圍以及所需要的LED正向壓降決定了對SMPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇。

      降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

      當(dāng)供電電壓高于或低于需要的輸出電壓時,使用降壓-升壓轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。對于電池應(yīng)用來說,降壓-升壓轉(zhuǎn)換器非常有用。降壓-升壓結(jié)構(gòu)還稱為反激式(fly-back)變壓器或逆變穩(wěn)壓器。

      降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可按圖1的方式實現(xiàn)。這種實現(xiàn)方案的優(yōu)點是可使用簡單的低端MOSFET驅(qū)動器電路,它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將產(chǎn)生相對于輸入電壓軌的正電壓,這一降壓-升壓實現(xiàn)方案的缺點是負(fù)載并未以電路地為基準(zhǔn)。

    采用混合信號高電壓單片機(jī)實現(xiàn)LED降壓

      采用PIC16HV785的電路實現(xiàn)方案

      圖2顯示了LED驅(qū)動電路的簡單設(shè)計方案,其中采用了一片混合信號高電壓8位單片機(jī),如PIC16HV785。  該電路的輸出相對于電池電壓,而非地電位。逆變器的輸出連接到LED的陽極,產(chǎn)生的電壓值高于輸入電壓。

      PIC16HV785混合信號單片機(jī)集成了一個8位單片機(jī)內(nèi)核和多個片上模擬外設(shè),包括:

    •   兩個片上運(yùn)放,可用于放大電流檢測電阻兩端的電壓。這樣可以采用極小阻值的檢測電阻,從而可以降低電路損耗并提高電路的總效率。

    •   一個高速雙相位PWM電路,對于開關(guān)電源的電流模式控制非常適合。

    •   一個高電壓分流穩(wěn)壓器,在輸入電壓更高時也不需要外部5V穩(wěn)壓器。

    •   一個數(shù)字捕捉、比較和PWM(CCP)模塊。

    •   兩個模擬比較器。

    •   一個10位A/D轉(zhuǎn)換器。

    •   內(nèi)部時鐘電路,工作頻率8MHz。

    •   一個內(nèi)部精確電壓參考源,不需要昂貴的外部器件。

    •   一個可編程欠壓復(fù)位(BOR)電路。

    •   運(yùn)放和比較器的所有引腳都可以通過外部訪問,因此可以實現(xiàn)任意電路配置。

    采用混合信號高電壓單片機(jī)實現(xiàn)LED降壓

      電流檢測電路

      電流檢測運(yùn)放連接成差分放大器,以精確測量電流、檢測電阻兩端的電壓。為簡化電路要求,在電源返回路徑上進(jìn)行電流測量。R1、R2和C1構(gòu)成一個低通濾波器,用來降低可能存在的開關(guān)噪聲。為避免影響控制環(huán)的響應(yīng),該濾波器的截止頻率必須大于電壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率。

      穩(wěn)流電路

      穩(wěn)定LED電流流量的電路由雙相位PWM模塊、內(nèi)部比較器和一個參考電壓源構(gòu)成。雙相位PWM模塊是按置位/復(fù)位原理工作的“模擬”式PWM模塊。首先,從系統(tǒng)時鐘產(chǎn)生的一個時鐘信號用來周期性地開啟PWM輸出。PWM時鐘信號確定基本的PWM頻率。然后,當(dāng)達(dá)到指定的參考電平時,來自一個片上比較器的復(fù)位信號會關(guān)斷PWM輸出。

      放大后的電流信號內(nèi)部連接到PIC16HV785中比較器1的正輸入端。PWM模塊使用PIC16HV785 器件中的捕捉比較外設(shè)(CCP1)來產(chǎn)生比較器所需要的參考電壓。采用PWM可以更精細(xì)地控制比較器參考電壓。利用RC濾波器對PWM信號進(jìn)行濾波,從而獲得一個模擬電壓并將它輸送給比較器的負(fù)輸入端。

      軟件實現(xiàn)方案

      這一應(yīng)用的軟件部分非常簡單,因為LED電流控制功能是采用模擬方式完成的。一旦所有外設(shè)被設(shè)為使能,并且正確設(shè)置了電流參考值,那么不需要軟件干預(yù),LED就會持續(xù)發(fā)光。

      然后,應(yīng)用程序代碼可以測量供電電壓(利用片上集成的10位A/D轉(zhuǎn)換器)和供電電流,從而保證驅(qū)動LED工作在恒定功率模式。隨著電池輸入電壓的變化,D/A電路(采用CCP外設(shè)實現(xiàn))將產(chǎn)生新的參考電壓值進(jìn)行補(bǔ)償。

      設(shè)置LED亮度

      由于單片機(jī)內(nèi)核在穩(wěn)定功率方面僅需要花費(fèi)很小一部分時間,因此更多的時間可用于用戶界面以及提供更多功能,如電池狀態(tài)監(jiān)控和亮度控制。利用這一電路及軟件調(diào)整LED亮度有兩種方法。其中一種技術(shù)基于LED亮度隨驅(qū)動電流而變化的原理,事實上,利用這種方法可以實現(xiàn)近似線性的LED亮度控制。然而改變電流實現(xiàn)調(diào)光并非控制LED亮度的最高效方法,只有在生產(chǎn)商指定的最大驅(qū)動電流水平下,LED才能夠達(dá)到最高的發(fā)光效率。

      可利用一個低頻PWM信號來調(diào)制LED驅(qū)動電流。采用這種方法,電流并未減小,即在點亮?xí)r,LED始終通過最大電流。但PWM信號的占空比設(shè)定了LED點亮的平均時間。PWM頻率要選擇得足夠高,以使LED電流的開關(guān)速率足夠快,從而使人眼感受不到光在閃爍;同時,PWM頻率也要足夠低,這樣穩(wěn)流電路在PWM導(dǎo)通時間內(nèi)就有足夠的時間穩(wěn)定。如果這些條件都能夠滿足,那么人眼會對一段時間內(nèi)的LED的光輸出進(jìn)行平均。PWM調(diào)光信號的頻率通常在60Hz 到 1000Hz之間。

      總結(jié)

      PIC16HV785幾乎包含了實現(xiàn)大功率LED驅(qū)動電路所需要的元器件。根據(jù)輸入電壓范圍,可以方便地配備成升壓或降壓-升壓工作模式。這一應(yīng)用僅使用了單片機(jī)RAM和閃存的一小部分,為其他用戶應(yīng)用程序代碼留下了足夠的空間。實際上,PIC16HV785單片機(jī)中還有足夠的未用外設(shè),可用來實現(xiàn)其它LED驅(qū)動器、電池充電器或開關(guān)電路。

    (審核編輯: 小王子)

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