一種低成本微處理器的高亮度LED控制解決方案
高亮度LED(HBLED)在汽車、消費電子和工業(yè)市場正在快速普及。 色彩絢麗、壽命長、能源效率高,這些是高亮度LED成為照明應用未來發(fā)展趨勢的部分原因。
本文引用地址:http://2s4d.com/article/221946.htm在汽車行業(yè),HBLED技術使車輛在造型、安全、燃油的經(jīng)濟性方面與眾不同,從簡單的開關照明、LCD背光到亮度極高的頭燈應用都包括在內。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,熱設計和EMC是涉及HBLED的應用中最關鍵的設計難題。 通常情況下,使用專用恒定電流驅動器(CCD)來驅動HBLED串來解決大部分重要設計問題,并簡化設計。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動或CCD。
高亮度LED的重要特征
正如在低強度LED中的情況一樣,高亮度LED的發(fā)光強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HBLED進行極化時,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的電流進行精確控制顯得至關重要。
具有相同部件號和技術規(guī)范的HBLED,不一定擁有完全相同的VF值。當通過兩個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強度,可能會導致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)光強度與通過HBLED的電流有關,色度也與HBLED電流有關。 為了保持HBLED顏色,HBLED必須采用恒定電流進行驅動。本解決方案將使用PWM(脈寬調制),從而在HBLED(光照強度)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,如果不進行正確的熱管理,這種耗散可能會導致 HBLED過熱和長期性能下降。熱設計的另一個重要方面是,HBLED發(fā)光強度與LED結溫成反比,隨著溫度增加,發(fā)射器的顏色會進入更高的波長。
驅動高亮度LED所面臨的難題
在低強度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,這會導致系統(tǒng)效率低下。 因此,在HBLED系統(tǒng)中,開關模式電源(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)方式驅動,并聯(lián)驅動使每個HBLED有不同的光照強度,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動,另一部分使用數(shù)字信號處理器(DSP)或帶獨立模擬驅動的微控制器。
人們普遍認為,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)采用分離元件構建的開關式電源時會變得不夠穩(wěn)定,并且不可能通過EMC認證。 飛思卡爾半導體公司現(xiàn)已創(chuàng)建了一款用于雙燈串HBLED照明控制的設計樣例。該HBLED基于S08MP16八位微控制器,MCU負責測量來自LED燈串的電流饋電,使用PID控制算法進行處理,從而控制獨立的降壓升壓開關式電源的操作,通過HBLED燈串確保最佳電流流量。
該微控制器還負責監(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。
開關式電源用來提供到HBLED的電源,它是離散降壓升壓拓撲結構,可以在1到18個LED燈串范圍(0V?65V的連續(xù)范圍)內操作,并且在頻率為350kHz時運行500mA的輸出電流。應用框圖見圖1。開關模式電源設計面臨的難題
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撲可以使用,例如CUK電路或SEPIC轉換器,每個拓撲在要求的元件數(shù)量、正負電壓基準和效率方面具有不同的要求和各自的優(yōu)勢。
在本設計中選用的開關模式電源組合了一個降壓轉換器和一個升壓轉換器,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。
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