如何設(shè)計(jì)三通道LED驅(qū)動(dòng)器
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通過將上述外設(shè)的完美組合,可實(shí)現(xiàn)對(duì)功能豐富而強(qiáng)大的可調(diào)光降壓轉(zhuǎn)換器等器件的控制。用于LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用的降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)為電流模式調(diào)節(jié)器,因?yàn)長(zhǎng)ED是電流模式器件。我們從LEDV-I曲線可以看出,正向電壓稍有變化,就會(huì)對(duì)電流產(chǎn)生較大影響。因此,任何LED驅(qū)動(dòng)器電路的反饋都應(yīng)視為電流。此外,我們應(yīng)使用恒定電流,因?yàn)橹圃焐虝?huì)根據(jù)正向電流電平設(shè)定LED的顏色與強(qiáng)度。上述特性相當(dāng)重要,因?yàn)槲覀円ㄟ^有關(guān)特性值來確保系統(tǒng)符合整體規(guī)范的要求。
圖1給出了典型的LED系統(tǒng),包括通信接口、不同顏色的LED(每種顏色都代表一個(gè)通道)、智能化功能以及每個(gè)通道的恒定電流驅(qū)動(dòng)器。通信接口可以為DMX512或DALI,這是兩種標(biāo)準(zhǔn)的照明協(xié)議,此外也可以為ZigBee或無線USB接口。智能化功能可通過內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)與LED調(diào)光外設(shè)的微控制器實(shí)現(xiàn)。ADC用于監(jiān)控溫度與LED電流等系統(tǒng)變量,完成系統(tǒng)監(jiān)控與色彩混合任務(wù)。驅(qū)動(dòng)器為通道中的每個(gè)LED提供恒定電流。驅(qū)動(dòng)器的復(fù)雜性與質(zhì)量決定了驅(qū)動(dòng)器的價(jià)格。
圖1:典型的LED系統(tǒng)方框圖。
磁滯降壓控制器
在微控制器上集成LED驅(qū)動(dòng)器有助于減小整體系統(tǒng)解決方案的尺寸?,F(xiàn)在,幾乎沒有什么解決方案將開關(guān)模式電源(SMPS)這樣的高功率元件與微控制器的智能化功能完美結(jié)合在一起。退而求其次,就是將SMPS的反饋與控制電路完美集成在微控制器中。如圖1所示,CY8CLED16EZ-Color器件正好具備上述功能所需的模擬電路。在該設(shè)計(jì)方案中,SMPS拓?fù)錇殡娏髂J娇煽卮艤祲恨D(zhuǎn)換器架構(gòu)(見圖2)。
圖2:磁滯控制器。
啟動(dòng)時(shí),通過電感的電流開始上升,直至比較器正輸入的電壓大于比較器負(fù)輸入的電壓。隨后,轉(zhuǎn)換器將作為自由運(yùn)行的振蕩器,電流會(huì)在兩個(gè)層面間充電和放電。
ITH_HIGH與ITH_LOW的大小可由并聯(lián)電阻、RIN與RHYST反饋電阻以及DAC輸出電壓通過下列等式計(jì)算得出。我們可以看到,RHYST值越大,ITH_HIGH與ITH_LOW的差就越小。
合上PFET將啟動(dòng)充電過程(如圖4a所示),電感器開始充電。比較器可通過測(cè)量并聯(lián)電阻電壓來監(jiān)控電感器電流。當(dāng)電流達(dá)到閾值ITH_HIGH時(shí),就開始進(jìn)入放電過程(如圖4b所示)。在放電階段,電流通過續(xù)流二極管放電。續(xù)流二極管保護(hù)電路元件免受電感反沖的影響,并且保持LED處于打開狀態(tài)。LED中的電流超過ITH_LOW閾值后,充電過程再次開始。
圖4:降壓轉(zhuǎn)換器的充電階段(圖a)與放電階段(圖b)。
轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)后進(jìn)入充電階段,直至電感器電流達(dá)到ITH_HIGH閾值。電流達(dá)到閾值所需的時(shí)間稱作上升時(shí)間(trise),trise取決于輸入電壓與電感器電流值:
,其中,VF為串聯(lián)LED的正向電壓。
由于上述方程式的分母是電感值,因此上升時(shí)間與電感值成正比例??s短上升時(shí)間對(duì)調(diào)光非常重要,因?yàn)闇p小脈沖寬度有利于使用較高分辨率的調(diào)制器,但這并不是使用較小電感值的唯一原因。低值電感器(具有相當(dāng)高的額定電流)從物理上說比高值電感器的體積更小,成本更低,同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電流的理想波形,但沒考慮比較器的響應(yīng)時(shí)間(tr)。比較器的響應(yīng)時(shí)間(tr)是指輸出電壓針對(duì)輸入電壓超過DAC參考電壓改變狀態(tài)所需的時(shí)間。如果將這個(gè)因素考慮在內(nèi),就會(huì)影響LED電流的過沖、紋波及平均值。平均電流誤差要?dú)w因于比較器限定的響應(yīng)時(shí)間以及電感波形的坡形不平衡引起的。請(qǐng)注意,在圖3中,充電坡度比放電坡度更陡一些,這是由于輸入電壓大大高于LED正向電壓而引起的。由于充電斜率大于放電斜率,因此比較器響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生的平均電流也將大于圖5所示的期望值。
圖3:理想的LED電流波形。
圖5:電流誤差詳圖。
實(shí)際峰值電流等于峰值電流閾值與峰值電流誤差之和,而谷值電流則等于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(yīng)時(shí)間外,我們從峰值電流計(jì)算式中還可看出,輸入電壓、電感值與LED正向電壓都會(huì)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(huì)影響谷值電流誤差。
,其中,VD為續(xù)流二極管的正向電壓。
我們可根據(jù)電感容差與LED正向電壓的差值計(jì)算出電流誤差。但是,如果我們的系統(tǒng)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(shù)轉(zhuǎn)換器,那么我們也可用該轉(zhuǎn)換器來測(cè)量電流誤差。我們通過校正算法來測(cè)量并處理電流誤差,隨后再改變DAC的輸出電壓來設(shè)置新的閾值。
圖6:支持平均電流誤差校正的磁滯控制器。
電平轉(zhuǎn)換電路
如圖7所示,當(dāng)柵極Q1的邏輯電平為高時(shí),柵極Q3通過分壓器打開;柵極Q4短接至VIN將關(guān)閉柵極Q3。當(dāng)柵極Q1的邏輯電平為低時(shí),分壓器中無電流通過,將柵極Q2連接至VIN,此時(shí)柵極Q4短接至地面,并打開PFET。這樣,輸入為高時(shí),開關(guān)關(guān)閉,輸入為低時(shí),開關(guān)打開,這就說明了EZ-Color器件內(nèi)置比較器的輸出為什么會(huì)出現(xiàn)反相區(qū)。只要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(zhuǎn)換電路就能正常工作。如果我們從VIN到源極Q2之間增加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用偏置電路,那么該電路就可適用于較大的輸入范圍。
圖7:電平轉(zhuǎn)換器詳圖。
利用軟件工具實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)化的解決方案
圖8:?jiǎn)瓮ǖ赖哪M模塊布局。
磁滯降壓轉(zhuǎn)換器要采用EZ-Color,需要將用戶模塊嵌入到PSoCDesigner中,以便在芯片的模擬段與數(shù)字段之間進(jìn)行切換。如圖8所示,比較器用戶模塊放在連續(xù)時(shí)間模塊中,9位DAC放在兩個(gè)開關(guān)電容模擬塊間,提供其負(fù)輸入。比較器的正輸入通過4:1的多路復(fù)用器路由,輸出路由至比較器數(shù)字總線,再經(jīng)過反相,抵消電平轉(zhuǎn)換器電路的反相區(qū)(如圖8所示)。比較器數(shù)字總線發(fā)送數(shù)字信號(hào)至芯片的數(shù)字段,也是數(shù)字信號(hào)走線的地方(如圖9所示)。
圖9:?jiǎn)瓮ǖ赖臄?shù)字模塊布局。
以上各圖顯示了如何配置EZ-Color模擬與數(shù)字模塊,以實(shí)施降壓轉(zhuǎn)換器。COMP_BUF模塊路由比較器總線到數(shù)字段,隨后它可路由到電源電路系統(tǒng),不過不是直接路由到控制電路,而是與16位PWM數(shù)字模塊的輸出做AND操作,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。圖8和圖9中的3個(gè)位置樣本可放置在CY8CLED16部件上,從而實(shí)現(xiàn)3通道可調(diào)光輸出的復(fù)合系統(tǒng)。
利用3個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器,每個(gè)通道都能通過高精度照明信號(hào)調(diào)制(PrISM)調(diào)光,或利用PWM,我們就能控制3通道LED系統(tǒng)的色彩。用8位微控制器完成色彩混合相當(dāng)復(fù)雜,不過有些集成電路公司嘗試了這種做法并取得了成功。PSoCExpress等軟件工具具備預(yù)編寫、預(yù)驗(yàn)證的色彩混合代碼,使開發(fā)照明設(shè)計(jì)變得極其簡(jiǎn)單。PSoCExpress是一款支持用戶界面功能的設(shè)計(jì)創(chuàng)建工具,也支持系統(tǒng)外設(shè)編碼,可以通過拖放實(shí)現(xiàn)工作,并在GUI環(huán)境中連接至驅(qū)動(dòng)程序。所生成的項(xiàng)目文件兼容于所有賽普拉斯的EZ-Color器件。
應(yīng)該采用哪種調(diào)光分辨率?
您可能已經(jīng)注意到了,本項(xiàng)目中采用了16位分辨率調(diào)光,之所以這樣做,是因?yàn)樵诠庹諒?qiáng)度較低的情況下,我們需要16位來維持高精度的色彩控制。如果強(qiáng)度為100%,那么精確匹配就僅需要8位的分辨率,如強(qiáng)度為1%,則分辨率應(yīng)為14.6位。EZ-Color中,16位分辨率的PWM調(diào)光頻率為732Hz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于肉眼所能看到的頻率。PWM模塊時(shí)鐘頻率設(shè)定為48MHz,就能獲得這種調(diào)光頻率。
本文小結(jié)
我們采用賽普拉斯的EZ-Color等混合信號(hào)微控制器控制LED照明系統(tǒng),因?yàn)檫@種微控制器集成了ASIC實(shí)施所需的大部分功能。通過采用磁滯降壓轉(zhuǎn)換器,EZ-Color能提供低成本的SMPS拓?fù)洌捎煤愣娏黩?qū)動(dòng)LED。集成式混合信號(hào)解決方案非常適合照明設(shè)計(jì),不僅能降低元件成本,而且還能縮短設(shè)計(jì)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照明應(yīng)用設(shè)計(jì)的便捷選擇。