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)計和EMC是涉及HBLED的應(yīng)用中最關(guān)鍵的設(shè)計難題。 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)計問題,，并簡化設(shè)計。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，每當(dāng)HBLED進(jìn)行極化時,，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，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,，而同時還能保持相同的瞬時電流（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）,，因此價格通常更貴,；同時，SMPS還可能造成噪音或EMI問題,。
一組HBLED可以同時通過并聯(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來說費用過高。
以并聯(lián)方式連接HBLED時,，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。
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)計和EMC是涉及HBLED的應(yīng)用中最關(guān)鍵的設(shè)計難題,。 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)計問題,，并簡化設(shè)計,。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,，每當(dāng)HBLED進(jìn)行極化時，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,，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，而同時還能保持相同的瞬時電流（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）,，因此價格通常更貴,；同時,，SMPS還可能造成噪音或EMI問題。
一組HBLED可以同時通過并聯(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來說費用過高,。
以并聯(lián)方式連接HBLED時，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,，診斷實時的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－5V的連續(xù)范圍）內(nèi)操作,，并且在頻率為350kHz時運行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?，例如CUK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。
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)模式電源運行的模式,，它的傳遞函數(shù)減少為一個共用降壓或升壓轉(zhuǎn)換器,，從而從控制的角度簡化了設(shè)計。
為了控制使用獨立開關(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,，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,，對于隨時監(jiān)測和控制HBLED電流和電壓也很重要,。
為了實現(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），每個燈串上可與更多HBLED一起操作,，在進(jìn)行小型操作時不會出現(xiàn)HBLED強(qiáng)度不穩(wěn)定的情況,。此外，可編程時延模塊（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)定時才會顯示ADC讀數(shù)。