作者：Brett Larimore， Daniel Chang， Patrick Carner

? ? ? 隨著 LED 技術的不斷發展，提高電源效率和節省成本成為可能，導致 LED 的使用方式增加。與此同時，系統正在使用更多種類的 LED，每個 LED 都需要以不同的方式驅動，以實現最佳性能、效率和色彩準確度。例如，汽車系統使用 LED 實現多種功能——包括前照燈、遠光燈、霧燈、轉向燈等——每一種都需要不同類型的 LED 和/或不同數量的 LED。

　　開發人員可以使用不同的功率級拓撲和控制方法來驅動多個 LED 燈串。每種拓撲和控制方法都有其自身的優勢，具體取決于應用。TI 展示了兩種常見 LED 照明設計實施的實施，提供了兩種基于其實時控制 C2000 Piccolo? 架構的 LED 照明開發套件——DC/DC LED 照明開發套件和多 DC/DC 彩色 LED 開發套件。結合 TI 行業領先的開發軟件和工具，工程師可以使用這些套件來加速各種照明應用的開發。

　　功率級拓撲和控制方法

　　LED 照明行業中使用了幾種常見的功率級設計拓撲和數字控制方法。每種設計實現和控制方法都有其獨特的優勢和考慮因素。TI 通過其 C2000 LED 照明開發套件展示了其中兩種功率級設計拓撲和兩種隨附的控制方法。

　　圖 1 顯示了 DC/DC LED 照明開發人員套件中使用的單個共享功率級的電源拓撲。該拓撲利用 Piccolo F28035 MCU 來控制一個靈活的 SEPIC DC/DC 功率級和八個獨立的 LED 調光級，用于控制相同類型和相同長度的 LED 燈串。SEPIC 是一種動態拓撲，它可以在高壓（高達 48 伏）下運行，并適當地升高或降低驅動電壓。通過這種控制拓撲，開發人員可以精確、獨立地控制同類型/同長度的 LED 燈串的亮度和色溫。單功率級拓撲非常適合需要穩定輸出的工業照明等應用。

　　圖 1：使用 SEPIC DC/DC 功率級對電壓軌進行降壓或升壓。

　　另外，圖 2 顯示了用于多直流/直流彩色 LED 照明開發套件中的可變長度和 LED 類型的 LED 燈串的多功率級拓撲。此拓撲使用單個 Piccolo MCU 來控制兩個 SEPIC DC/DC 功率級和六個升壓 DC/DC 功率級，適合驅動彩色 LED。借助這種多功能拓撲，開發人員可以支持多達 8 個可變長度和類型的 LED 燈串。例如，單個 Piccolo F28027 數字 LED 控制器可以驅動多達 8 個 LED 燈串，包括由兩個白色 LED 燈串加上兩組 RGB 燈串組成的系統（即，每個 RGB 燈串由一個紅色、綠色和藍色 LED 燈串組成） ）。通過為每個 LED 串使用單獨的功率級，F28027 可以獨立控制每個 LED 串的色調和亮度。

　　圖 2：Piccolo F28027 MCU 可以驅動多達 8 個可變長度和不同 LED 類型的 LED 燈串。

　　這兩種拓撲需要不同的方法來驅動 LED 燈串。當只有一個功率級可用于驅動多個燈串時，LED“導通”電壓偏置通過功率級變化，以實現所需的 LED 色調和效率（參見圖 3a）。單個燈串的調光（參見圖 3b）是通過使用脈沖寬度調制 （PWM） 以可變占空比來關閉和打開 LED 電流來實現的。

　　圖 3：使用單級驅動器控制 LED 溫度 （a） 和亮度 （b）。

　　或者，當每個燈串都有自己獨立的功率級時，使用平均電流模式控制來驅動 LED。使用這種方法，電流連續流過串中的每個 LED。不是直接改變電壓，而是改變每個功率級中的電流（參見圖 4）。調光是通過降低和提高流過 LED 的平均電流來實現的。通過獨立調整單獨的紅色、綠色和藍色 LED 串的電流水平來控制顏色混合。這些 LED 的整體輸出然后創建所需的顏色級別。通過同時調暗三個 RGB 字符串并相互結合，在改變亮度的同時保持精確的色彩控制。

　　圖 4：使用平均電流模式控制驅動多個 LED 燈串，每個燈串都有自己的獨立功率級。

　　驅動多個 LED 燈串

　　在決定使用共享功率級還是多個獨立功率級時，需要考慮許多設計因素。LED 輸出由施加在 LED 串上的電壓和電流決定，有幾個因素會影響特定 LED 串所需的最佳驅動電平：

　　LED 類型：每種類型的 LED（例如 350 mA 或一安培 LED）有自己的亮度/電壓曲線，開發人員需要將其考慮在內以準確管理亮度。即使額定電流相同，不同制造商制造的 LED 也可能具有不同的曲線。

　　字符串長度：具有不同數量 LED 的兩個燈串，即使 LED 屬于同一類型且來自同一箱，也具有不同的驅動要求。

　　LED 顏色：對于使用紅色、綠色和藍色 LED 三元組混合顏色的應用，每種不同顏色的 LED 都有自己的最佳工作電壓。

　　LED 變化：制造過程可能導致 LED 之間的變化。可以高價購買輸出接近的 LED（即分檔）。或者，可以動態調整串的工作電壓以補償這些變化。

　　一般來說，考慮到 LED 的數量和類型是恒定的，單一功率級拓撲可以很好地服務于僅使用單一類型 LED 的應用，例如城市或工業照明應用。當使用多串 LED 時，單個功率級拓撲也是整合模擬組件的絕佳方式。例如，TI 的 Piccolo LED 套件中使用的單個控制器可以有效地管理相同 LED 類型的八個獨立燈串。

　　另一方面，許多應用可能會受益于具有多個獨立 DC/DC 電源的拓撲結構，每個電源驅動一個單獨的 LED 燈串。當系統中的 LED 燈串在長度或 LED 類型上不同時，例如，從單個功率級工作需要調整驅動電壓以匹配每個燈串規格。為特定串降低此電壓可能會降低其他串的電源效率或導致顏色控制不理想。

　　此外，當每個 LED 串需要精確的工作值時，無論這些值是亮度、色調還是其他測量值，為每個 LED 串使用單獨和獨立的 DC/DC 級可能會很有用。通過單獨的 DC/DC 級為每個燈串提供單獨的電壓，可以讓開發人員進一步控制每個 LED 燈串的工作效率和光輸出精度。通過這種設計拓撲，每個 DC/DC 級驅動不同類型和長度的 LED 燈串，為 LED 照明設計提供了極大的靈活性。

　　準確的顏色混合

　　顏色精度的價值因應用而異。如果駕駛員可以根據喜好調整顏色，那么車內環境照明的準確性可能并不重要。但是，如果照明需要反映特定顏色，則準確性非常重要。即使只使用白色 LED，準確性也很重要。例如，氙氣大燈可能太黃或太紫。這種不準確不僅是不可取的（例如，紫色的前燈會分散其他駕駛員的注意力）；它們會對產品壽命產生負面影響。

　　是否使用單個或多個功率級拓撲結構的決定也可能受到維護和風險考慮的影響。例如，在鎮流器中替換熒光燈的簡單照明應用使用完全相同的光模塊。使用單個功率級可能有助于降低維護成本；由于功率級電路將位于主控制器中，因此每個燈模塊主要由外殼和 LED 組成。然而，單個功率級對于與其連接的許多光模塊來說也是一個單點故障。或者，需要高可靠性的系統可能依賴于多功率級拓撲，因為故障可能僅禁用單個照明模塊。然而，

　　簡化功率級設計

　　功率級設計是一個使用 TI 參考設計和軟件工具的相對簡單的過程。TI 提供了參考設計，開發人員可以對其進行修改，以針對特定 LED 類型和串中使用的 LED 數量優化功率級。開發人員可以通過提供正在使用的 LED 的亮度/電壓曲線并讓控制器使用高精度 ADC 感應電流和電壓水平來進一步調整參數，從而創建一個微調的功率級。此外，Mathworks 的工具、Powersim 的 PSIM? 和 VisSim 的 Embedded Controls Developer? 都支持 Piccolo 架構并簡化了功率級設計。

　　除了 TI 的 Code Composer Studio? 集成開發環境之外，開發人員還可以訪問 controlSUITE? 軟件，這是一個全面的可用于生產的控制軟件集合。controlSUITE 軟件提供了廣泛的功能，提供了示例項目，這些項目提供了完整照明應用所需的大部分基本代碼，包括 DC/DC 電源和 LED 驅動器級的閉環控制。對于不熟悉 LED 設計的開發人員，示例項目大大降低了 LED 學習曲線。

　　數字 LED 控制的優勢

　　TI 的 Piccolo MCU 架構非常適合 LED 應用。除了提供靈活的 LED 驅動控制之外，Piccolo MCU 還能夠實現在許多照明應用中變得越來越重要的高級功能：

　　溫度感應：集成 ADC 允許 Piccolo MCU 輕松監控 LED 工作溫度。隨著溫度升高，LED 效率下降。此外，對于混色應用，溫度也會影響 LED 顏色。借助溫度感應，數字控制器可以通過調整 LED 驅動算法或通過激活其他系統組件（如風扇）來動態補償溫度變化。

　　綠色運行：系統可以使用各種傳感技術來實現更復雜的控制算法，以優化功率利用率。例如，系統可以根據可用的環境光動態調整 LED 驅動電平。較低的功耗還可以減少散熱，從而降低運營成本并提高長期可靠性。

　　系統協調和通信：智能照明控制對于許多基于 LED 的系統至關重要，從閃爍的裝飾燈到激活車輛的轉彎頭燈再到高端舞臺照明。開發人員可以實現各種通用和特定應用的通信通道，包括 CAN、DMX 和電力線通信 （PLC）。與 LED 的數字控制相結合，通信接口為遠程管理和廣泛的高級使用模型打開了照明系統。

　　可編程性：可編程架構使開發人員能夠繼續向現有架構引入新功能，而無需對系統硬件進行耗時且成本高昂的重新設計。當通信接口可用時，可編程性還可以實現簡單的現場升級，從而無需技術人員親自到訪即可更新系統。

　　顏色校正： LED 的輸出隨溫度和時間而變化。為了提供長期準確的色彩混合，基于 Piccolo 的照明系統可以編程以補償溫度變化并調整工作電壓以補償老化組件造成的退化。

　　高可靠性：開發人員可以引入故障檢測和警報通知等功能，以提高可靠性并降低維護費用。

　　集成功能： Piccolo 數字 LED 控制器通過集成各種應用所需的各種片上外設來減小系統尺寸和復雜性。例如，高分辨率 ADC 支持電機和電源控制應用的精確電流和電壓感應。

　　適應性：Piccolo 數字 LED 控制器提供足夠的性能余量，以適應??不斷變化的市場條件、不斷變化的客戶需求和不斷發展的標準，從而使設計面向未來并保護設計投資。TI 還提供范圍不斷擴大的微控制器以滿足新興應用的需求，因此制造商可以快速且經濟高效地利用新機遇。

　　單功率級和多功率級拓撲提供了一種有效驅動多個 LED 燈串的有效方法。借助其 DC/DC LED 照明開發人員套件和多 DC/DC 彩色 LED 開發人員套件，TI 為開發人員提供了實施單功率級或多功率級拓撲的選項，同時展示了 LED 照明控制的各種方法。兩種方法都可用于大多數照明系統，但每種方法都有其優點，具體取決于特定應用。每個 Piccolo F2802x 系列微控制器最多可以控制八個單獨的 LED 燈串，并且根據所使用的功率級設計，每個燈串幾乎可以驅動任意數量的 LED。

　　這兩個套件都帶有一個獨立的基于 GUI 的控制應用程序，允許開發人員試驗 LED 亮度和顏色控制，并探索 Piccolo MCU 的許多通用功能（見表 1）。開發人員可以快速評估不同的電源拓撲和控制方法，使用最合適的方法啟動開發。

　　表 1：LED 照明開發人員套件：主要特性和優勢。

　　TI 數字 LED 控制器為不斷變化的應用需求提供最高的靈活性和適應性。TI 還提供范圍廣泛的模擬組件，這些組件以多年的系統級專業知識、全面的開發工具和廣泛的應用軟件為后盾，為開發人員提供完整的 LED 照明解決方案。使用 Piccolo MCU，開發人員可以設計平衡產品價格、尺寸、復雜性、電源效率、準確性、可靠性、可維護性和性能的系統，以創建最佳系統。