固態照明正敏捷成為機電工程與設計領域的熱門之一。LED實現了機動性與高效性的聯合，這是傳統照明技巧無奈比較的。LED可以長時間提供穩固牢靠的照明，而且采用小型封裝，因此正在建造和舞臺照明利用范疇得到普遍采用。然而，每種不同的照明運用都有其奇特性，不同的市場范疇需要具備不同特性的產品。因此，市場中集成電路的專業化趨勢一直增強，也導致原來已經品種繁多的產品型號變得更加豐碩多彩。可編程混合信號微控制器正得到疾速采用太陽能路燈，因為單個微控制器能集成脈寬調制器(PWM)、通信接口、放大器、比較器及數據轉換器等多種外設。

 

通過將上述外設的完美組合，可實現對功能豐盛而強盛的可調光降壓轉換器等器件的控制。用于LED驅動器利用的降壓轉換器應為電流模式調節器，由于LED是電流模式器件。我們從LEDV-I曲線能夠看出，正向電壓稍有變更，就會對電流發生較大影響。因而，任何LED驅動器電路的反饋都應視為電流。此外，我們應應用恒定電流，由于制作商會依據正向電流電平設定LED的色彩與強度。上述特征相稱主要，因為我們要通過有關特征值來確保系統合乎整體標準的請求。

 

圖1給出了典范的LED系統，包含通訊接口、不同色彩的LED(每種顏色都代表一個通道)、智能化功能以及每個通道的恒定電流驅動器。通訊接口可認為DMX512或DALI，這是兩種尺度的照明協定，此外也可認為ZigBee或無線USB接口。智能化功能可通過內置模數轉換器(ADC)與LED調光外設的微控制器實現。ADC用于監控溫度與LED電流等系統變量，實現系統監控與色彩混合義務。驅動器為通道中的每個LED供給恒定電流。驅動器的龐雜性與品質決議了驅動器的價錢。

 

圖1：典范的LED系統方框圖。

 

磁滯降壓控制器

 

在微掌握器上集成LED驅動器有助于減小整系統統解決方案的尺寸。當初，簡直不什么解決計劃將開關模式電源(SMPS)這樣的高功率元件與微把持器的智能化功效完善聯合在一起。退而求其次，就是將SMPS的反饋與把持電路完善集成在微節制器中。如圖1所示，CY8CLED16EZ-Color器件正好具備上述功效所需的模仿電路。在該設計計劃中，SMPS拓撲為電流模式可控磁滯降壓轉換器架構(見圖2)太陽能路燈。

 

 

 

 

圖4：降壓轉換器的充電階段(圖a)與放電階段(圖b)。

 

轉換器啟動落后入充電階段，直至電感器電流到達ITH_HIGH閾值。電流到達閾值所需的時間稱作回升時間(trise)，trise取決于輸入電壓與電感器電流值：

 

其中，VF為串聯LED的正向電壓。

 

因為上述方程式的分母是電感值，因此上升時間與電感值成正比例。縮短上升時間對調光無比主要，因為減小脈沖寬度有利于應用較高分辯率的調制器，但這并不是使用較小電感值的獨一起因。低值電感器(存在相稱高的額外電流)從物理上說比高值電感器的體積更小，成本更低，統一尺寸封裝的低值電感器比高值電感器支持的電流更高。

 

平均電流誤差

 

圖3顯示了LED電流的幻想波形，但沒斟酌比較器的響應時光(tr)。比較器的響應時間(tr)是指輸出電壓針對輸入電壓超過DAC參考電壓轉變狀況所需的時間。假如將這個因素斟酌在內，就會影響LED電流的過沖、紋波及均勻值。均勻電流誤差要歸因于比較器限定的響應時間以及電感波形的坡形不均衡引起的。請留神，在圖3中，充電坡度比放電坡度更陡一些，這是因為輸入電壓大大高于LED正向電壓而引起的。因為充電斜率大于放電斜率，因而比較器響應時光發生的平均電流也將大于圖5所示的冀望值。

圖2：磁滯控制器。

 

啟動時，通過電感的電流開端回升，直至比擬器正輸入的電壓大于比擬器負輸入的電壓。隨后，轉換器將作為自在運行的振蕩器，電流會在兩個層面間充電跟放電。

 

ITH_HIGH與ITH_LOW的大小可由并聯電阻、RIN與RHYST反饋電阻以及DAC輸出電壓通過下列等式盤算得出。我們可以看到，RHYST值越大，ITH_HIGH與ITH_LOW的差就越小LED路燈。

 

 

 

 

合上PFET將啟動充電進程(如圖4a所示)，電感器開始充電。比較器可通過測量并聯電阻電壓來監控電感器電流。當電流達到閾值ITH_HIGH時，就開端進入放電進程(如圖4b所示)。在放電階段，電流暢過續流二極管放電。續流二極管維護電路元件免受電感反沖的影響，并且堅持LED處于打開狀況。LED中的電流超過ITH_LOW閾值后，充電過程再次開始。

 

 

圖3：幻想的LED電流波形。

 

 

 

圖5：電流誤差詳圖。

 

 

實際峰值電流即是峰值電流閾值與峰值電流誤差之跟，而谷值電流則即是谷值電流閾值與谷值電流誤差之和(如下列方程式所示)。除了比較器的響應時間外，我們從峰值電流盤算式中還可看出，輸入電壓、電感值與LED正向電壓都會影響峰值電流誤差。我們從谷值電流算式中則可以看出，正向電壓會影響谷值電流誤差。

 

 

 

其中，VD為續流二極管的正向電壓。

 

我們可依據電感容差與LED正向電壓的差值計算出電流誤差。然而，如果我們的系統采用了具備8:1模擬乘法器與可編程增益放大器的積分型模數轉換器，那么我們也可用該轉換器來丈量電流誤差。我們通過校訂算法來丈量并處置電流誤差，隨后再轉變DAC的輸出電壓來設置新的閾值。

 

 

 

 

圖7：電平轉換器詳圖。

 

利用軟件工具實現更簡化的解決方案

 

 

圖8：單通道的模仿模塊布局。

 

磁滯降壓轉換器要采用EZ-Color，須要將用戶模塊嵌入到PSoCDesigner中，以便在芯片的模擬段與數字段之間進行切換。如圖8所示，比較器用戶模塊放在持續時間模塊中，9位DAC放在兩個開關電容模擬塊間LED燈具，提供其負輸入。比較器的正輸入通過4:1的多路復用器路由，輸前途由至比較器數字總線，再經由反相，對消電平轉換器電路的反相區(如圖8所示)。比較器數字總線發送數字信號至芯片的數字段，也是數字信號走線的處所(如圖9所示)。

圖6：支持平均電流誤差校訂的磁滯控制器。

 

電平轉換電路

 

如圖7所示，當柵極Q1的邏輯電平為高時LED路燈，柵極Q3通過火壓器翻開；柵極Q4短接至VIN將封閉柵極Q3。當柵極Q1的邏輯電平為低時，分壓器中無電流暢過，將柵極Q2銜接至VIN，此時柵極Q4短接至地面，并翻開PFET。這樣，輸入為高時路燈路燈，開關封閉，輸入為低時，開關打開，這就闡明了EZ-Color器件內置比較器的輸出為什么會呈現反相區。只有輸入電壓不超過晶體管Q2與Q4的VGS(MAX)值，如圖7所示的電平轉換電路就能畸形工作。假如咱們從VIN到源極Q2之間增添齊納二極管與電容器，再在齊納二極管的陽極至接地之間采取偏置電路，那么該電路就可實用于較大的輸入范疇。

 

 

圖9：單通道的數字模塊布局。

以上各圖顯示了如何配置EZ-Color模擬與數字模塊，以實行降壓轉換器。COMP_BUF模塊路由比較器總線到數字段，隨后它可路由到電源電路系統，不外不是直接路由到控制電路，而是與16位PWM數字模塊的輸出做AND操作，從而實現調光功能。圖8和圖9中的3個地位樣本可放置在CY8CLED16部件上，從而實現3通道可調光輸出的復合系統。

 

應用3個降壓轉換器，每個通道都能通過高精度照明信號調制(PrISM)調光，或應用PWM太陽能路燈價格，咱們就能掌握3通道LED體系的顏色。用8位微節制器實現色彩混雜相稱龐雜，不外有些集成電路公司嘗試了這種做法并獲得了勝利。PSoCExpress等軟件工具具備預編寫、預驗證的顏色混雜代碼，使開發照明設計變得極其簡略。PSoCExpress是一款支撐用戶界面功能的設計創立工具，也支撐體系外設編碼，能夠通過拖放實現工作，并在GUI環境中銜接至驅動程序。所天生的名目文件兼容于所有賽普拉斯的EZ-Color器件。

 

應當采用哪種調光辨別率？

 

你可能已經留神到了，本名目中采用了16位分辨率調光，之所以這樣做，是因為在光照強度較低的情形下，我們需要16位來保持高精度的色彩控制。如果強度為100%，那么準確匹配就僅須要8位的辨別率，如強度為1%，則分辯率應為14.6位。EZ-Color中，16位分辨率的PWM調光頻率為732Hz，遠遠高于肉眼所能看到的頻率。PWM模塊時鐘頻率設定為48MHz，就能取得這種調光頻率。

 

本文小結

 

我們采用賽普拉斯的EZ-Color等混合信號微控制器控制LED照明系統，因為這種微控制器集成了ASIC實行所需的大局部功能。通過采取磁滯降壓轉換器，EZ-Color能供給低本錢的SMPS拓撲，可用恒定電流驅動LED。集成式混合信號解決方案十分合適照明設計，不僅能下降元件本錢，而且還能縮短設計周期。賽普拉斯的EZ-Color集成了SMPS控制、智能化色彩混合功能與DMX512接口，使其成為多種LED照明運用設計的便捷抉擇。

賽普拉斯半導體 | Patrick Prendergast