高亮度LED應(yīng)用方案

    發(fā)光二級管（LED）技術(shù)面世已有大約半個世紀(jì)。發(fā)光二級管是一種能在電壓出現(xiàn)偏差時發(fā)光的半導(dǎo)體設(shè)備。由于具有低功率和低電壓運行的特點，該技術(shù)很快應(yīng)用于各種電子設(shè)備的狀態(tài)指示。LED 技術(shù)的使用壽命通常非常長，一般可達10 年，遠遠長于其它傳統(tǒng)照明技術(shù)（例如白熾燈管和熒光燈管）。這就使人們非常希望將LED 技術(shù)應(yīng)用到更廣泛的照明應(yīng)用中。
最近面世的新技術(shù)使LED 能夠達到更高的功率水平。LED 能夠達到一瓦特的水平，有些甚至高達5 瓦特，每瓦特能發(fā)出18-44 流明（lumen）的光亮。這種LED設(shè)備稱為高亮LED（HB-LED）。由于效率方面的明顯改進，HB-LED 正被迅速用于多種照明應(yīng)用。
      下面是這些應(yīng)用的一些例子：
      交通信號燈
      平面顯示設(shè)備的背景照明裝置
       閃光燈
      家庭照明
LED 具有非線性I-V 特征，非常類似于二極管，LED 只能在直流電單向輸送到設(shè)備時才能點亮，一般稱之為正向電流IF 。通過LED 的壓降則稱為正向電壓VF。要讓LED 實現(xiàn)最高亮度，通過LED 的正向電流必須保持恒定水平。在一般的1W LED 而言，正向電流需保持在大約350mA 的水平，而相應(yīng)的正向電壓則大約為3.4V，LED 便能達到其最大亮度。
正向電流IF 和正向電壓VF 有著非常緊密的關(guān)系，VF 出現(xiàn)小的變化亦會引起IF 發(fā)生較大的改變。LED 驅(qū)動的理想電源是恒定電源。實際上，恒定電流通常通過閉合回路電流控制直流-直流轉(zhuǎn)換器（DC-DC converter）來實現(xiàn)。市場上有很多基于獨立模擬組件、成本相對較低的DC-DC 轉(zhuǎn)換器解決方案。然而，基于微控制器（MCU）的解決方案可為系統(tǒng)設(shè)計帶來更大的靈活性。除了普通照明以外，這種控制器還能為最終應(yīng)用提供足夠的處理功能以支持額外的特性。因此它仍然具有較大的吸引力。
    基于MCU 的設(shè)計的部分優(yōu)點如下：
（1）燈光亮度調(diào)節(jié)和閃爍可以通過MCU 軟件輕松實現(xiàn)，而無需向系統(tǒng)中增裝其它組件。
（2）不同功率或不同品牌的LED 具有不同的特征，MCU 可以通過軟件編程以滿足不同的驅(qū)動要求。在這種情況下，照明設(shè)備制造商可以減少庫存的類型，進而簡化物流處理工作。
（3）許多MCU 具有芯片閃存，可以用于應(yīng)用中的數(shù)據(jù)存儲。例如，在實施燈光亮度控制功能時，芯片閃存可用于保存亮度級別。每次打開燈光時可以自動恢復(fù)上一次的亮度級別。
（4）除照明外，MCU 還可以處理幾種功能，如不同類型的連接標(biāo)準(zhǔn)（如Zigbee、RS232 和LIN 等）亦可以通過MCU 芯片模塊輕松實施。
拓?fù)?nbsp;
    LED 驅(qū)動需要恒定電源。它通常需要閉環(huán)控制。有時系統(tǒng)采用電池供電，電池電壓會隨時間而不斷下降。在電池電量全部用完之前，需要反饋控制回路來保持恒定的驅(qū)動電流。此外LED 的正向電壓VF 會隨周圍環(huán)境溫度的變化而變化，因此需要閉環(huán)控制來補償VF 的變化，以便保持正向電流IF 以及LED 亮度的穩(wěn)定。
    人們一般采用轉(zhuǎn)換模式調(diào)節(jié)方法而不是直線調(diào)節(jié)方法來驅(qū)動LED。開關(guān)調(diào)節(jié)器有著更高的功能轉(zhuǎn)換效率及較適合用于數(shù)字設(shè)計上。
    假設(shè)電源電壓是高于所需的LED 正向電壓，開關(guān)調(diào)節(jié)器會通過電源電壓斬波來進行整流，控制斬波時的占空比可以控制輸出的平均電流。斬波機制的執(zhí)行很簡單，只需使用一個功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）充當(dāng)開關(guān)來斷開電源和用電設(shè)備之間的電流。MOSFET 由脈寬調(diào)制（PWM）輸出控制，其中的斬波頻率亦相等于PWM輸出的頻率。
    通常情況下，如果電源電壓和所需的負(fù)載電流都是恒定的，則不需要任何反饋控制環(huán)路（如圖1 所示）。開關(guān)調(diào)節(jié)器可以通過調(diào)節(jié)斬波頻率或其占空比來控制設(shè)備的平均電流。然而有些情況這種拓?fù)洳⒉贿m用。如所需設(shè)備電流比較大時，切斷電流會產(chǎn)生較大的電流尖峰，而這可能會影響系統(tǒng)的電磁干擾（EMI）性能。

圖1：直接斬波拓?fù)?br>     如果不要讓設(shè)備上的電流被切斷，則必須使用能源存儲設(shè)備來確保當(dāng)電源被切斷時，電流亦不會被立刻切斷。一個明智的選擇是在設(shè)備的電路路徑上添加電感。在PWM循環(huán)過程中，能量保存在電感中。電源被切斷時，保存的能源釋放出來，繼續(xù)為設(shè)備供電。這種拓?fù)浞Q為buck 變換器（buck converter）。圖2 是常見buck 變換器的示意圖。

圖2：Buck變換器拓?fù)?br>     Buck變換器
    Buck 變換器只能用于執(zhí)行降壓操作，就是當(dāng)電源電壓是高于所需要的設(shè)備電壓時。如圖2 所示，當(dāng)電源開關(guān)SW1 閉合時，輸入電壓VIN 連接到電感L 的輸入端。逆向偏壓二極管能確保設(shè)備電流在一個方向上傳輸。與此同時，電感中保存的能源不斷增加。當(dāng)電源開關(guān)斷開時，電感中保存的電能釋放出來，電流流經(jīng)二極管持續(xù)提供給設(shè)備。電感中存儲的電能逐漸減少，設(shè)備電流亦開始下降。Buck 變換器的主要電能存儲設(shè)備是電感。電感的設(shè)計必須確保有足夠的電能存儲空間，滿足電源關(guān)閉期間（SW1 打開）的設(shè)備電源要求。對于LED 應(yīng)用，LED 需在恒定電流下工作，buck 變換器亦被認(rèn)為只在連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)（continuous conduction mode ) 下運行。
    感應(yīng)器電流有兩種狀態(tài)：通流狀態(tài)（SW1 閉合）和斷流狀態(tài)（SW1 打開）。處于通流狀態(tài)時，電感的電流開始直線上升，電流的最大變化可以使用下列公式計算：

    其中tON 是SW1 閉合的時間。VOUT 是設(shè)備RL上的電壓。同樣，處于斷流狀態(tài)時，電感電流在SW1 打開期間下降，電流的最大變化可以使用以下公式計算：

    其中tOFF 是SW1 打開的時間。VD 表示二極管上的電壓。假設(shè)tON 與tOFF 之和是開關(guān)時間的總長短T，那么tON 亦可以計算為：

    其中D 是閉合時間的占空比。在理想情況下，逆向二極管的壓降VD 為零，打開和關(guān)閉狀態(tài)之間的電感電流之和是恒定的。如公式（4）所示，我們可以很容易地推斷出來，buck 變換器的輸出電壓增益等于占空比D 而且永遠小于1。

公式（1）和（2）定義了輸出負(fù)載上的最大紋波電流。如果定義了可接受的紋波電流IL、開關(guān)頻率SW1（1/T）、電源電壓VIN 和目標(biāo)輸出電壓VOUT，則可以通過公式（1）和（3）計算出所需的電感值。
    閉環(huán)控制
    使用 buck 變換器驅(qū)動LED 時，系統(tǒng)必須能夠保持恒定的輸出電流。輸出電壓或輸出電流通過改變電源開關(guān)SW1 的占空比直接進行控制。非常普遍的做法是采用低歐姆電阻（通常1Ω - 5Ω）作為電流感應(yīng)器來監(jiān)控LED 的正向電流。該電阻將正向電流轉(zhuǎn)換成電壓，并與恒定參考電壓VREF 進行比較。VREF 是預(yù)先定義的，而對應(yīng)于所需的目標(biāo)負(fù)載電流。如果電流感應(yīng)器電壓高于參考電壓，則表示負(fù)載電流高于目標(biāo)電流。反饋環(huán)路會減少占空比D 來驅(qū)動電源開關(guān)。相反，如果電流感應(yīng)器電壓低于參考電壓，占空比D 則會增加。圖3 為閉環(huán)控制buck 變換器的示意圖。

圖3：閉環(huán)控制buck變換器
    在某些情況下，電源電壓VIN 并不穩(wěn)定，比如在利用電池為系統(tǒng)供電時。無論采用什么電源，要讓輸出電流保持一個恒定水平，就必須使用獨立于電源電壓的一個參考電壓VREF。在所有備有模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）或模擬比較器（ACMP）的飛思卡爾S08 和RS08 MCU 芯片系列，內(nèi)部都帶有隙電壓參考。該參考電壓獨立于MCU 的電源電壓VDD，通過MCU 中的專用控制寄存器啟動。
    MC9RS08KA2 系統(tǒng)
    對于普通的LED 應(yīng)用，MCU 控制系統(tǒng)的反饋回路。它測量LED 正向電流并調(diào)節(jié)電源開關(guān)的占空比，將LED 亮度保持在目標(biāo)水平。因此，MCU 必須至少具有PWM驅(qū)動功能。通常情況下，30KHz -100KHz 的PWM輸出頻率就足夠了。此外，MCU 應(yīng)當(dāng)能夠執(zhí)行電壓測量，這是閉環(huán)控制系統(tǒng)必需的。
    許多飛思卡爾MCU 都能用于LED 照明應(yīng)用。對于一般的LED 應(yīng)用，可以使用MC68HC908Qxx 系列。它支持8 針腳封裝，并帶有專用的PWM 模塊和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC）模塊。對于成本敏感型應(yīng)用，可以使用MC9RS08KA2。它也支持8 針腳封裝，不帶芯片ADC，但包括模擬比較器 (ACMP)，這對LED 應(yīng)用來說也已經(jīng)足夠了。
    圖4 是基于MC9RS08KA2 的簡單buck 變換器系統(tǒng)示意圖。在很多情況下，應(yīng)用電源電壓VIN 與MCU 的電源電壓（VDD）不同。有時需要使用特定的電壓調(diào)節(jié)器（可以是一個簡單的接地齊納二極管）將VIN 降低到MCU 操作范圍VDD。此外還需要電平轉(zhuǎn)換器，使MCU 能夠撥動電壓高于MCU VDD 的高端開關(guān)SW1。

圖4：基于MC9RS08KA2 的buck變換器系統(tǒng)
    LED 的正向電流是通過電阻器RSENSE 測量的。KA2 收集電壓測量VSENSE 值，并與簡易電位計創(chuàng)建的固定參考電壓VREF 進行比較。如果VSENSE 高于VREF，表示LED 正向電流高于目標(biāo)值。這時KA2 會逐漸降低驅(qū)動SW1 的占空比，直到VSENSE 降低到參考值以下。相反，當(dāng)VSENSE 低于VREF 時，占空比會逐漸增加，直到VSENSE 增加到VREF 以上。
    亮度控制
   LED 驅(qū)動電流由參考電壓VREF 定義。如圖4 所示，VREF 由一個簡易電位計定義。VREF 的變化是通過改變電位計電壓進行的。圖4 顯示了實現(xiàn)這一目標(biāo)的簡易方法。KA2 的一個通用輸入輸出端（如PTA5）將一個附加電阻器R3 連接到電位計上。當(dāng)選擇PTA5 作為輸入端時，它便成為高阻抗，R3 漂浮不定，電位計輸出只由R1 和R2 定義。如果需要更低的參考電壓，PTA5 就變?yōu)榈臀惠敵?，通過R3的附加電流會降低參考電壓。隨著VREF 的降低，LED 正向電流會相應(yīng)地調(diào)節(jié)而改變亮度水平。利用相同的方法可定義出更多的參考點來輸入更多亮度水平。
    電源電壓的補償
    如果應(yīng)用只需一個亮度水平，就無需將電位計連接到 KA2 模擬比較器的端子上。KA2 比較器的正極端子已備有內(nèi)部帶隙電源，VSENSE 可以利用此電源電壓參考進行比較。KA2 上有一個專用控制位可用于啟動此電壓參考。當(dāng)該參考啟動時，相應(yīng)的MCU 針腳變成通用輸入輸出端。帶隙電源電壓水平固定在1.24V 而不受MCU 電源電壓VDD 的影響。
    無論VIN 的變化是否反應(yīng)到MCU VDD 上，通過對比VSENSE 和固定參考點1.24V，MCU 可以調(diào)節(jié)PWM 的占空比，從相應(yīng)地補償VIN a 的變化，而令輸出電流保持一個恒定水平。
    軟件控制回路
    KA2 沒有專用的PWM模塊。在軟件設(shè)計的主循環(huán)中，可以監(jiān)控來自RSENSE 的反饋電壓，并產(chǎn)生PWM控制的波形作為SW1 的開關(guān)操作。PWM打開狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)的長短由芯片定時器溢出的時間確定。
    圖5 顯示了一般的軟件控制流程。重啟后，MCU 開始初始化程序。PWM打開時間初始化為它的最小值。主控制回路保存兩個變量：打開時間和關(guān)閉時間變量。這兩個變量按相反方向調(diào)節(jié)，以便將整體時間長短保持在恒定水平。打開時間和關(guān)閉時間一同確定可調(diào)節(jié)的占空比，該值和軟件開銷共同定義PWM周期的長短。

圖5：MC9RS08KA2 的軟件控制流程
    任何用以執(zhí)行其它功能（如亮度調(diào)節(jié)）的人機界面都可以添加到軟件的主控制循環(huán)上。添加的軟件編碼被視為軟件開銷，會影響整體PWM輸出周期的長短。PWM輸出周期長短應(yīng)保持恒定，由要控制循環(huán)中執(zhí)行的CPU 周期總數(shù)確定。所需的PWM頻率越高，主控制循環(huán)的編碼預(yù)算越低。例如，如果PWM頻率要求為50KHz，KA2 允許的最大總線頻率為10MHz，在這種情況下主控制循環(huán)必須保持
在200 個CPU 周期。該數(shù)字包括軟件開銷及SW1 打開時間和關(guān)閉時間的總和（也就是可調(diào)節(jié)的占空比）。比如說，如果打開時間和關(guān)閉時間總和為128 個CPU 周期，則200 個周期中的72 個就成了軟件開銷，該主循環(huán)的可控制占空比范圍則為72/200=36% 到100%。
    結(jié)語
    基于MCU 的解決方案可為應(yīng)用提供全面靈活性。目前，即使最低端的8 位MCU都具有足夠的CPU 帶寬，不僅能執(zhí)行DC-DC 操作，還可以在應(yīng)用中增加更多功能而幾乎不需要增加成本。MCU 的設(shè)計目標(biāo)是實現(xiàn)全面的解決方案。飛思卡爾提供的MCU 亦支援各種通信標(biāo)準(zhǔn)，如射頻（RF）連接領(lǐng)域的Zigbee 、有線連接領(lǐng)域的LIN、CAN 和DMX512 等，這為LED 照明提供了巨大的應(yīng)用空間。