基于PIC微控制器的LED驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

1 引言

　　LED作為一種供電電壓低，功耗小，壽命長(zhǎng)，無(wú)輻射的新型光源，應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，成為固態(tài)照明的關(guān)鍵光源。許多固態(tài)照明應(yīng)用常采用智能控制電路系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)LED以履行各種功能和任務(wù)，譬如為確保流經(jīng)LED的電流不受供電電壓波動(dòng)的影響維持恒定，從而使LED的亮度無(wú)明顯變化的亮度調(diào)節(jié)就是控制電路系統(tǒng)的任務(wù)之一。亮度調(diào)節(jié)涉及電流調(diào)整與調(diào)光控制?？刂齐娐废到y(tǒng)的另一任務(wù)是失效識(shí)別。因LED具有很強(qiáng)的溫度相關(guān)性，大多失效又與溫度有關(guān)，故控制電路系統(tǒng)應(yīng)能履行溫度補(bǔ)償。此外，通過(guò)硬件選擇以適應(yīng)不同亮度LED組合的驅(qū)動(dòng)也極必要。一塊芯片上可集成全部必要硬件功能的PIC微控制器，由于價(jià)格低廉，時(shí)鐘頻率高達(dá)20MHz，功耗極低和工作溫度范圍寬等特點(diǎn)，非常適合作LED的驅(qū)動(dòng)控制電路。本文即討論以PIC微控制器為控制單元設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)控制電路的一些考慮。

　　2 PIC微控制器

　　PIC即可編程中斷控制器（ProgrammableInterruptController），一類可利用電或紫外光擦除與重寫(xiě)的多功能集成器件。圖1為微芯（Microchip）公司PIC微控制器典型的功能框圖。

　　采用PIC微控制器作LED驅(qū)動(dòng)控制電路系統(tǒng)的核心，需要用到其中幾個(gè)完整模塊和把一些管腳設(shè)定為模擬輸入。模擬電壓通過(guò)A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。被轉(zhuǎn)換的信號(hào)由軟件選定直接發(fā)送給A/D模塊。模塊的恒定基準(zhǔn)電壓可通過(guò)輸入管腳外部施加，也可通過(guò)內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓模塊施加。若采用后者，則PIC的電源電壓應(yīng)通過(guò)電壓調(diào)控器保持恒定?？刂破骶幊滩恍枰S多硬件?？刂破髦挟a(chǎn)生可執(zhí)行匯編程序的軟件都能免費(fèi)下載。PIC推薦使用處理方便和允許更改的C編譯器，程序可采用模塊化設(shè)計(jì)思路。以主程序?yàn)楹诵脑O(shè)置功能模塊子程序，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)主程序調(diào)用各功能模塊子程序，進(jìn)行循環(huán)控制即可滿足要求。

　　3 LED的配置

　　設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電路必須考慮LED的配置。原則上，LED有三種可能配置：整個(gè)電路以電阻構(gòu)成陣列連接，每個(gè)LED與電阻串聯(lián)或與電阻構(gòu)成陣列連接。圖2為以每個(gè)LED一個(gè)電阻構(gòu)成的LED列陣連接。圖中每個(gè)LED擁有各自的電阻，這些電阻可作調(diào)節(jié)二極管電流的基準(zhǔn)電阻用。

　　譬如，若某個(gè)LED失效，則非串聯(lián)情況下的其余LED仍繼續(xù)運(yùn)作，但由于總電流可在剩余的三條通路中分配，故失效將導(dǎo)致并聯(lián)二極管中的電流增多，引起亮度的不均勻分布，不過(guò)亮度的損失根本上可由與失效器件同一通路中其余LED的電流增加得到補(bǔ)償。

　　4 驅(qū)動(dòng)器的控制功能

　　4.1 調(diào)光

　　調(diào)光是驅(qū)動(dòng)器控制最基本的功能，通過(guò)調(diào)光產(chǎn)生不同的LED亮度等級(jí)。采用脈寬調(diào)制（PWM：pulsewidthmodulation）是解決調(diào)光的簡(jiǎn)單辦法。PWM信號(hào)實(shí)際上就是周期切換直流電壓的通斷，故利用微處理器內(nèi)置的PWM模塊即可方便設(shè)定和控制PWM信號(hào)。如果周期維持不便，亮度則可以利用脈沖的持續(xù)長(zhǎng)度，即占空比D來(lái)調(diào)節(jié)。采用PWM信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是可以保持峰值電流恒定，從而可以防止由于峰值電流升高產(chǎn)生如諸如InGaN器件中波長(zhǎng)移位之類的負(fù)作用。

　　4.2 電流調(diào)整

　　驅(qū)動(dòng)器控制的第二個(gè)功能是應(yīng)使LED的亮度保持不變。為保證LED亮度不變，則流經(jīng)LED的電流必須恒定。這就要求各單個(gè)LED流經(jīng)的電流都是確定的。為測(cè)定流經(jīng)二極管的電流，每個(gè)二極管都要采用串聯(lián)電阻。通過(guò)測(cè)量電阻兩端的電壓可測(cè)出電阻流經(jīng)的電流，因此便可確定流經(jīng)LED的電流。電壓測(cè)量由PIC中電壓高達(dá)5V，并可與恒定基準(zhǔn)電壓比較的A/D模塊執(zhí)行。但A/D模塊不能直接連接到串聯(lián)電阻兩端，一方面這是因?yàn)殡妷旱碾娖娇赡苓h(yuǎn)高于5V，另外，就是PWM信號(hào)必須首先轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)。經(jīng)過(guò)2次測(cè)量和隨后的相減會(huì)產(chǎn)生雙倍測(cè)量誤差。建議采用圖3所示消除雙倍測(cè)量誤差問(wèn)題的電流測(cè)量電路。

　　采用該電路時(shí)，凡正輸入電壓與U1相接，負(fù)輸入電壓與U2相接。圖中U1和U2信號(hào)由RC元件轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)再與運(yùn)放連接。運(yùn)放可利用各種電阻配置成減法器。就該電路而言，U1的直流電壓將從U2減去，A/D模塊測(cè)得的就是其差。這能使控制器對(duì)電流的變化做出反應(yīng)。由于運(yùn)算放大器具有非常高的輸入阻抗，故系統(tǒng)不會(huì)受測(cè)量電路影響。