LED调光引擎：基于8位MCU的开关模式可调光LED驱动器解决方案

本文来自电子发烧友八月主题月技术供稿，转载请注明出处，作者Microchip Technology Inc.8位单片机产品部主任应用工程师Mark Pallones

开关模式可调光LED驱动器凭借其高效性以及对LED电流的精确控制而闻名。这类LED驱动器还可以提供调光功能，使得最终用户在营造奇幻灯光效果的同时有效降低自身功耗。基于8位单片机（MCU）的解决方案可针对此类应用提供必要的模块，从而实现通信、定制和智能控制功能。此外集成的独立于内核的外设，与纯模拟或ASIC实现相比可显著提升灵活性，扩展照明产品功能的同时塑造产品差异化，从而实现创新。这类智能照明解决方案具备故障预测和维护、能量监测，色温维持以及远程通信和控制等功能，功能之丰富不胜枚举，并且将因此而倍受青睐。

虽然LED驱动器与先前的照明解决方案相比具备诸多优势，但其实现过程中也会面临许多挑战。但您不必担心，阅读完本文章后，您将会了解如何使用8位MCU来轻松应对这些设计挑战，从而打造出高性能的开关模式LED驱动解决方案，功能之丰富令传统解决方案只能望其项背。

8位单片机可独立控制最多四个LED通道，这是大多数现成LED驱动器控制器所不具备的一项独特能力。在图1中，LED调光引擎可由单片机中提供的外设构成。这些引擎均具有独立的封闭通道，极少需要甚至不需要中央处理单元（CPU）干预即可控制开关模式电源转换器。这样可以释放CPU以执行其他重要任务，比如系统中的监控功能、通信功能或新增的智能功能。

图1：通过Microchip的PIC16F1779 8位单片机控制四个LED串的图示

LED调光引擎

在图2中，基于电流模式升压转换器的LED驱动器由LED调光引擎控制。该引擎主要由互补输出发生器（COG）、数字信号调制器（DSM）、比较器、可编程斜坡发生器（PRG）、运算放大器（OPA）和脉宽调制器3（PWM3）等独立于内核的外设（CIP）组成。这些CIP与固定稳压器（FVR）、数模转换器（DAC）和捕捉/比较/PWM（CCP）等其他片上外设一起组成完整的引擎。COG将高频开关脉冲提供给MOSFET Q1，从而将能量和供电电流传输给LED串。COG输出的开关周期通过CCP和占空比设置，用于维持LED恒定电流，具体取决于比较器输出。每当Rsense1两端的电压超过PRG模块的输出时，比较器就会产生一个输出脉冲。PRG的输入源自反馈电路中的OPA输出，它被配置为斜率补偿器，以在占空比大于50％时抵消固有次谐波振荡的影响。

OPA模块实现为具有II型补偿器配置的误差放大器（EA）。FVR用作DAC输入，根据LED恒定电流规范为OPA同相输入提供参考电压。

为了实现调光目的，PWM3用作CCP输出的调制器，同时驱动MOSFET Q2以使LED快速循环亮起和熄灭。调制操作可通过DSM模块来完成，调制后的输出信号馈送到COG。PWM3可提供占空比可变的脉冲，用于控制驱动器的平均电流，实际上控制的是LED的亮度。

LED调光引擎不仅可以实现典型LED驱动器控制器的功能，而且还具备解决LED驱动器典型问题的能力。现在，我们将探讨这些问题并分析如何使用LED调光引擎来加以避免。

图2.LED调光引擎

频闪

频闪是典型开关模式可调光LED驱动器可能面临的挑战之一。虽然精心策划的频闪会带来有趣的效果，但如果LED发生意外频闪，则会破坏用户期望的灯光设计。为了避免频闪并提供平滑调光体验，应确保驱动器从最高档位（即100％灯光输出）一直到最低档位的调光效果都是连续流畅的。由于LED会瞬间响应电流变化并且不具有阻尼效果，因此驱动器必须具有足够多的调光档位才能确保人眼察觉不到变化。为了满足这一要求，LED调光引擎采用PWM3来控制LED的调光。PWM3是16位分辨率的PWM，从100％到0％占空比共有65536个档位，可保证亮度平滑切换。

LED色温转换

LED驱动器还可以转换LED的色温。 此颜色变化是人眼能够察觉得到的，削弱了客户对享受优质LED照明体验的主张。图3给出了典型的PWM LED调光波形。当LED熄灭时，由于输出电容缓慢放电，LED电流会逐渐减小。此事件会导致LED发生色温漂移且功耗增大。

图3.LED调光波形

可以使用负载开关来防止输出电容缓慢放电。例如，在图2中，电路使用Q2作为负载开关，LED调光引擎会同步关闭COG PWM输出和Q2，以便切断电流衰减路径，让LED快速熄灭。

峰值电流

当使用开关模式功率转换器驱动LED时，将采用反馈电路来调节LED电流。但是，如果在调光期间操作不当，反馈电路会产生峰值电流（见图3）。回顾图2，当LED点亮时，电流传输到LED，RSENSE2两端的电压馈送到EA。