基于8位MCU的LED調光引擎設計

開關模式可調光LED驅動器憑借其高效性以及對LED 電流的精確控制而聞名。這類LED驅動器還可以提供調光功能，使得最終用戶在營造奇幻燈光效果的同時有效降低自身功耗。基于8位單片機（MCU）的解決方案可針對此類應用提供必要的模塊，從而實現通信、定制和智能控制功能。

此外集成的獨立于內核的外設，與純模擬或ASIC實現相比可顯著提升靈活性，擴展照明產品功能的同時塑造產品差異化，從而實現創新。這類智能照明解決方案具備故障預測和維護、能量監測，色溫維持以及遠程通信和控制等功能，功能之豐富不勝枚舉，并且將因此而倍受青睞。?

雖然LED驅動器與先前的照明解決方案相比具備諸多優勢，但其實現過程中也會面臨許多挑戰。但您不必擔心，閱讀完本文章后，您將會了解如何使用8位MCU來輕松應對這些設計挑戰，從而打造出高性能的開關模式LED驅動解決方案，功能之豐富令傳統解決方案只能望其項背。

8位單片機可獨立控制最多四個LED通道，這是大多數現成LED驅動器控制器所不具備的一項獨特能力。在圖1中，LED調光引擎可由單片機中提供的外設構成。這些引擎均具有獨立的封閉通道，極少需要甚至不需要中央處理單元（CPU）干預即可控制開關模式電源轉換器。這樣可以釋放CPU以執行其他重要任務，比如系統中的監控功能、通信功能或新增的智能功能。

圖1：通過Microchip的PIC16F1779 8位單片機控制四個LED串的圖示

LED調光引擎

在圖2中，基于電流模式升壓轉換器的LED驅動器由LED調光引擎控制。該引擎主要由互補輸出發出發生器（COG）、數字信號調制器（DSM）、比較器、可編程斜坡發生器（PRG）、運算放大器（OPA）和脈寬調制器3（PWM3）等獨立于內核的外設（CIP）組成。這些CIP與固定穩壓器（FVR）、數模轉換器（DAC）和捕捉/比較/PWM（CCP）等其他片上外設一起組成完整的引擎。COG將高頻開關脈沖提供給MOSFET Q1，從而將能量和供電電流傳輸給LED串。COG輸出的開關周期通過CCP和占空比設置，用于維持LED恒定電流，具體取決于比較器輸出。每當Rsense1兩端的電壓超過PRG模塊的輸出時，比較器就會產生一個輸出脈沖。PRG的輸入源自反饋電路中的OPA輸出，它被配置為斜率補償器，以在占空比大于50％時抵消固有次諧波振蕩的影響。

OPA模塊實現為具有II型補償器配置的誤差放大器（EA）。FVR用作DAC輸入，根據LED恒定電流規范為OPA同相輸入提供參考電壓。

為了實現調光目的，PWM3用作CCP輸出的調制器，同時驅動MOSFET Q2以使LED快速循環亮起和熄滅。調制操作可通過DSM模塊來完成，調制后的輸出信號饋送到COG。PWM3可提供占空比可變的脈沖，用于控制驅動器的平均電流，實際上控制的是LED的亮度。

LED調光引擎不僅可以實現典型LED驅動器控制器的功能，而且還具備解決LED驅動器典型問題的能力。現在，我們將探討這些問題并分析如何使用LED調光引擎來加以避免。

圖2.LED調光引擎

頻閃

頻閃是典型開關模式可調光LED驅動器可能面臨的挑戰之一。雖然精心策劃的頻閃會帶來有趣的效果，但如果LED發生意外頻閃，則會破壞用戶期望的燈光設計。為了避免頻閃并提供平滑調光體驗，應確保驅動器從最高檔位（即100％燈光輸出）一直到最低檔位的調光效果都是連續流暢的。由于LED會瞬間響應電流變化并且不具有阻尼效果，因此驅動器必須具有足夠多的調光檔位才能確保人眼察覺不到變化。為了滿足這一要求，LED調光引擎采用PWM3來控制LED的調光。PWM3是16位分辨率的PWM，從100％到0％占空比共有65536個檔位，可保證亮度平滑切換。

LED色溫轉換

LED驅動器還可以轉換LED的色溫。此顏色變化是人眼能夠察覺得到的，削弱了客戶對享受優質LED照明體驗的主張。圖3給出了典型的PWM LED調光波形。當LED熄滅時，由于輸出電容緩慢放電，LED電流會逐漸減小。此事件會導致LED發生色溫漂移且功耗增大。

圖3.LED調光波形

可以使用負載開關來防止輸出電容緩慢放電。例如，在圖2中，電路使用Q2作為負載開關，LED調光引擎會同步關閉COG PWM輸出和Q2，以便切斷電流衰減路徑，讓LED快速熄滅。

峰值電流

當使用開關模式功率轉換器驅動LED時，將采用反饋電路來調節LED電流。但是，如果在調光期間操作不當，反饋電路會產生峰值電流（見圖3）。回顧圖2，當LED點亮時，電流傳輸到LED，RSENSE2兩端的電壓饋送到EA。當LED熄滅時，沒有電流傳輸到LED，RSENSE2電壓變為零。在此調暗期間，EA輸出會增加到最大值，并使EA補償網絡過充。當調制的PWM再次導通時時，如果有高峰值電流驅動到LED，則需要若干個周期才能恢復。此峰值電流會削減LED的使用壽命。?

為了避免這一問題，LED調光引擎允許將PWM3用作OPA的改寫源。當PWM3為低電平時，EA的輸出呈三態，將補償網絡與反饋回路完全斷開，并將保持最后一個穩定反饋點作為補償電容中存儲的電荷。當PWM3為高電平且LED再次點亮時，補償網絡重新連接，EA輸出電壓立即跳到其先前的穩定狀態（PWM3為低電平之前），并且幾乎立即恢復LED電流設定值。

完整解決方案

如前文所述，LED調光引擎極少需要甚至不需要CPU干預即可正常工作。因此，在將所有對于LED驅動器的控制工作分配給各個CIP時，CPU將具有充足的帶寬來執行其他重要任務。此外，通過對檢測到的輸入和輸出電壓進行處理，可以執行欠壓鎖定（UVLO）、過壓鎖定（OVLO）和輸出過壓保護（OOVP）等保護功能。這樣可確保LED驅動器按照規范要求工作，并且LED不受異常輸入和輸出條件的影響。CPU還可以處理來自傳感器的溫度數據，以實現對LED的熱管理。而且，當設置LED驅動器的調光級別時，CPU可以處理來自簡單外部開關或串行通信命令的觸發信號。此外，LED驅動器的參數可以通過串行通信的方式發送到外部設備以進行監控或測試。?

除了上述功能之外，設計師還可以在自己的LED應用中盡情添加更多智能功能，包括通信（例如，DALI或DMX）和定制控制功能等。圖4給出了使用LED調光引擎的完整開關模式可調光LED驅動器解決方案示例。