LED背景知識(shí)
近年來(lái),，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(guò)上萬(wàn)小時(shí),。
針對(duì)照明應(yīng)用的大功率LED要采用恒流源驅(qū)動(dòng),，一些標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)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(gè)模塊中集成了多個(gè)結(jié),。
驅(qū)動(dòng)LED的一種簡(jiǎn)單方法是采用串聯(lián)電阻來(lái)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(wú)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L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)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(duì)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(shí)，使用降壓-升壓轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu),。對(duì)于電池應(yīng)用來(lái)說(shuō),，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(shí)現(xiàn),。這種實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)點(diǎn)是可使用簡(jiǎn)單的低端MOSFET驅(qū)動(dòng)器電路，它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將產(chǎn)生相對(duì)于輸入電壓軌的正電壓,，這一降壓-升壓實(shí)現(xiàn)方案的缺點(diǎn)是負(fù)載并未以電路地為基準(zhǔn),。
采用PIC16HV785的電路實(shí)現(xiàn)方案
圖2顯示了LED驅(qū)動(dòng)電路的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)方案，其中采用了一片混合信號(hào)高電壓8位單片機(jī),，如PIC16HV785,。 該電路的輸出相對(duì)于電池電壓，而非地電位,。逆變器的輸出連接到LED的陽(yáng)極,，產(chǎn)生的電壓值高于輸入電壓。
PIC16HV785混合信號(hào)單片機(jī)集成了一個(gè)8位單片機(jī)內(nèi)核和多個(gè)片上模擬外設(shè),，包括：
- 一個(gè)高速雙相位PWM電路,，對(duì)于開關(guān)電源的電流模式控制非常適合。
- 兩個(gè)片上運(yùn)放,，可用于放大電流檢測(cè)電阻兩端的電壓,。這樣可以采用極小阻值的檢測(cè)電阻,，從而可以降低電路損耗并提高電路的總效率。
- 一個(gè)高電壓分流穩(wěn)壓器,，在輸入電壓更高時(shí)也不需要外部5V穩(wěn)壓器,。
- 一個(gè)數(shù)字捕捉、比較和PWM(CCP)模塊,。
- 兩個(gè)模擬比較器,。
- 一個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換器。
- 內(nèi)部時(shí)鐘電路,，工作頻率8MHz,。
- 一個(gè)內(nèi)部精確電壓參考源，不需要昂貴的外部器件,。
- 一個(gè)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(guò)外部訪問(wèn)，因此可以實(shí)現(xiàn)任意電路配置,。
電流檢測(cè)電路
電流檢測(cè)運(yùn)放連接成差分放大器,，以精確測(cè)量電流、檢測(cè)電阻兩端的電壓,。為簡(jiǎn)化電路要求,，在電源返回路徑上進(jìn)行電流測(cè)量。R1,、R2和C1構(gòu)成一個(gè)低通濾波器,，用來(lái)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(gè)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(shí)鐘產(chǎn)生的一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)用來(lái)周期性地開啟PWM輸出,。PWM時(shí)鐘信號(hào)確定基本的PWM頻率,。然后，當(dāng)達(dá)到指定的參考電平時(shí),，來(lái)自一個(gè)片上比較器的復(fù)位信號(hào)會(huì)關(guān)斷PWM輸出,。
放大后的電流信號(hào)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(lái)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(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行濾波，從而獲得一個(gè)模擬電壓并將它輸送給比較器的負(fù)輸入端。
軟件實(shí)現(xiàn)方案
這一應(yīng)用的軟件部分非常簡(jiǎn)單,，因?yàn)長(zhǎng)ED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(huì)持續(xù)發(fā)光。
然后,，應(yīng)用程序代碼可以測(cè)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(dòng)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(shí)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(shí)間，因此更多的時(shí)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(dòng)電流而變化的原理,，事實(shí)上,，利用這種方法可以實(shí)現(xiàn)近似線性的LED亮度控制。然而改變電流實(shí)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(dòng)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(gè)低頻PWM信號(hào)來(lái)調(diào)制LED驅(qū)動(dòng)電流,。采用這種方法，電流并未減小,，即在點(diǎn)亮?xí)r,，LED始終通過(guò)最大電流。但PWM信號(hào)的占空比設(shè)定了LED點(diǎn)亮的平均時(shí)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(shí),，PWM頻率也要足夠低，這樣穩(wěn)流電路在PWM導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)就有足夠的時(shí)間穩(wěn)定,。如果這些條件都能夠滿足,，那么人眼會(huì)對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的LED的光輸出進(jìn)行平均。PWM調(diào)光信號(hào)的頻率通常在60Hz 到 1000Hz之間,。
總結(jié)
PIC16HV785幾乎包含了實(shí)現(xiàn)大功率LED驅(qū)動(dòng)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(shí)際上，PIC16HV785單片機(jī)中還有足夠的未用外設(shè),，可用來(lái)實(shí)現(xiàn)其它LED驅(qū)動(dòng)器,、電池充電器或開關(guān)電路。