三通道LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

1、三通道LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì) 固態(tài)照明正迅速成為機(jī)電工程與設(shè)計(jì)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。LED實(shí)現(xiàn)了靈活性與高效性的結(jié)合，這是傳統(tǒng)照明技術(shù)無法比擬的。LED可以長(zhǎng)時(shí)間提供穩(wěn)定可靠的照明，而且采用小型封裝，因此正在建筑和舞臺(tái)照明應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛采用。但是，每種不同的照明應(yīng)用都有其獨(dú)特性，不同的市場(chǎng)領(lǐng)域需要具有不同特性的產(chǎn)品。因此，市場(chǎng)中集成電路的專業(yè)化趨勢(shì)不斷加強(qiáng)，也導(dǎo)致本來已經(jīng)種類繁多的產(chǎn)品型號(hào)變得更加豐富多彩?？删幊袒旌闲盘?hào)微控制器正得到快速采用，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)功能豐富而強(qiáng)大的可調(diào)光降壓轉(zhuǎn)換器等器

2、件的控制。用于LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用的降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)為電流模式調(diào)節(jié)器，因?yàn)長(zhǎng)ED是電流模式器件。我們從LEDV-I曲線可以看出，正向電壓稍有變化，就會(huì)對(duì)電流產(chǎn)生較大影響。因此，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)使用恒定電流，因?yàn)橹圃焐虝?huì)根據(jù)正向電流電平設(shè)定LED的顏色與強(qiáng)度。上述特性相當(dāng)重要，因?yàn)槲覀円ㄟ^有關(guān)特性值來確保系統(tǒng)符合整體規(guī)范的要求。圖1給出了典型的LED系統(tǒng)，包括通信接口、不同顏色的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。通信接口可以為DMX512或DALI，這是兩種標(biāo)準(zhǔn)的照明協(xié)議，此外也可以為ZigBee或無線USB接口。智能化功能可

3、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，完成系統(tǒng)監(jiān)控與色彩混合任務(wù)。驅(qū)動(dòng)器為通道中的每個(gè)LED提供恒定電流。驅(qū)動(dòng)器的復(fù)雜性與質(zhì)量決定了驅(qū)動(dòng)器的價(jià)格。圖1：典型的LED系統(tǒng)方框圖。磁滯降壓控制器在微控制器上集成LED驅(qū)動(dòng)器有助于減小整體系統(tǒng)解決方案的尺寸?，F(xiàn)在，幾乎沒有什么解決方案將開關(guān)模式電源（SMPS）這樣的高功率元件與微控制器的智能化功能完美結(jié)合在一起。退而求其次，就是將SMPS的反饋與控制電路完美集成在微控制器中。如圖1所示，CY8CLED16EZ-Color器件正好具備上述功能所需的模擬電路。在該設(shè)計(jì)方案中，SMPS拓?fù)錇殡?/p>

4、流模式可控磁滯降壓轉(zhuǎn)換器架構(gòu)（見圖2）。圖2：磁滯控制器。啟動(dòng)時(shí)，通過電感的電流開始上升，直至比較器正輸入的電壓大于比較器負(fù)輸入的電壓。隨后，轉(zhuǎn)換器將作為自由運(yùn)行的振蕩器，電流會(huì)在兩個(gè)層面間充電和放電。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計(jì)算得出。我們可以看到，RHYST值越大，ITH_HIGH與ITH_LOW的差就越小。合上PFET將啟動(dòng)充電過程（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)，就開始進(jìn)入放電過程（如圖4b所示）。在放電階段，電流通過續(xù)流二極

5、管放電。續(xù)流二極管保護(hù)電路元件免受電感反沖的影響，并且保持LED處于打開狀態(tài)。LED中的電流超過ITH_LOW閾值后，充電過程再次開始。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)后進(jìn)入充電階段，直至電感器電流達(dá)到ITH_HIGH閾值。電流達(dá)到閾值所需的時(shí)間稱作上升時(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。由于上述方程式的分母是電感值，因此上升時(shí)間與電感值成正比例?？s短上升時(shí)間對(duì)調(diào)光非常重要，因?yàn)闇p小脈沖寬度有利于使用較高分辨率的調(diào)制器，但這并不是使用較小電感值的唯一原因。低值電感器（具有相當(dāng)高的額定電流）從物理上說比

6、高值電感器的體積更小，成本更低，同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電流的理想波形，但沒考慮比較器的響應(yīng)時(shí)間（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參考電壓改變狀態(tài)所需的時(shí)間。如果將這個(gè)因素考慮在內(nèi)，就會(huì)影響LED電流的過沖、紋波及平均值。平均電流誤差要?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平衡引起的。請(qǐng)注意，在圖3中，充電坡度比放電坡度更陡一些，這是由于輸入電壓大大高于LED正向電壓而引起的。由于充電斜率大于放電斜率，因此比較器響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生的平均電流也將大于圖5所示的期望值。圖3：理想的LED電流波形。圖5：電流

7、誤差詳圖。實(shí)際峰值電流等于峰值電流閾值與峰值電流誤差之和，而谷值電流則等于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，我們從峰值電流計(jì)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。我們可根據(jù)電感容差與LED正向電壓的差值計(jì)算出電流誤差。但是，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)換器來測(cè)量電流誤差。我們通過校正算法來測(cè)量并處理電流誤差，隨后再改變DAC的輸出電壓來設(shè)置新的閾值。圖6：支持

8、平均電流誤差校正的磁滯控制器。 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)，柵極Q3通過分壓器打開；柵極Q4短接至VIN將關(guān)閉柵極Q3。當(dāng)柵極Q1的邏輯電平為低時(shí)，分壓器中無電流通過，將柵極Q2連接至VIN，此時(shí)柵極Q4短接至地面，并打開PFET。這樣，輸入為高時(shí)，開關(guān)關(guān)閉，輸入為低時(shí)，開關(guān)打開，這就說明了EZ-Color器件內(nèi)置比較器的輸出為什么會(huì)出現(xiàn)反相區(qū)。只要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)換電路就能正常工作。如果我們從VIN到源極Q2之間增加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用偏置電路，那么該電路就可適用于較大的輸入范圍。

9、圖7：電平轉(zhuǎn)換器詳圖。利用軟件工具實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)化的解決方案圖8：?jiǎn)瓮ǖ赖哪M模塊布局。磁滯降壓轉(zhuǎn)換器要采用EZ-Color，需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連續(xù)時(shí)間模塊中，9位DAC放在兩個(gè)開關(guān)電容模擬塊間，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，輸出路由至比較器數(shù)字總線，再經(jīng)過反相，抵消電平轉(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)走線的地方（如圖9所示）。圖9：?jiǎn)瓮ǖ赖臄?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)施降壓轉(zhuǎn)

10、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)，不過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)位置樣本可放置在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)。利用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，或利用PWM，我們就能控制3通道LED系統(tǒng)的色彩。用8位微控制器完成色彩混合相當(dāng)復(fù)雜，不過有些集成電路公司嘗試了這種做法并取得了成功。PSoCExpress等軟件工具具備預(yù)編寫、預(yù)驗(yàn)證的色彩混合代碼，使開發(fā)照明設(shè)計(jì)變得極其簡(jiǎn)單。PSoCExpress是一款支持

11、用戶界面功能的設(shè)計(jì)創(chuàng)建工具，也支持系統(tǒng)外設(shè)編碼，可以通過拖放實(shí)現(xiàn)工作，并在GUI環(huán)境中連接至驅(qū)動(dòng)程序。所生成的項(xiàng)目文件兼容于所有賽普拉斯的EZ-Color器件。應(yīng)該采用哪種調(diào)光分辨率？您可能已經(jīng)注意到了，本項(xiàng)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)度較低的情況下，我們需要16位來維持高精度的色彩控制。如果強(qiáng)度為100%，那么精確匹配就僅需要8位的分辨率，如強(qiáng)度為1%，則分辨率應(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，就能獲得這種調(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)?/p>