基于汽車應用的高亮度LED控制成本效益的實現(xiàn)

高亮度LED(HBLED)在汽車、消費電子和工業(yè)市場正在快速普及。 色彩絢麗、壽命長、能源效率高，這些是高亮度LED成為照明應用未來發(fā)展趨勢的部分原因。

在汽車行業(yè)，HBLED技術(shù)使車輛在造型、安全、燃油的經(jīng)濟性方面與眾不同，從簡單的開關(guān)照明、LCD背光到亮度極高的頭燈應用都包括在內(nèi)。但是，高效、可靠地控制HBLED的亮度，不是一件容易的事情;功率級效率，熱設(shè)計和EMC是涉及HBLED的應用中最關(guān)鍵的設(shè)計難題。 通常情況下，使用專用恒定電流驅(qū)動器(CCD)來驅(qū)動HBLED串來解決大部分重要設(shè)計問題，并簡化設(shè)計。不過，CCD通常比基于微控制器的解決方案更貴。本文介紹使用8位微控制器(MCU)和低成本的分離解決方案來實施智能HBLED照明控制，從而避免使用高昂的模擬驅(qū)動或CCD。

高亮度LED的重要特征

正如在低強度LED中的情況一樣，高亮度LED的發(fā)光強度與通過的電流程成正比。該電流通常被稱作正向電流(IF)，在HBLED中的范圍是100mA~1000mA。 同時，每當HBLED進行極化時，都會出現(xiàn)壓降，稱為正向電壓(VF)。在HBLED中，光度和色度與IF成正比，因此對通過HBLED的電流進行精確控制顯得至關(guān)重要。

具有相同部件號和技術(shù)規(guī)范的HBLED，不一定擁有完全相同的VF值。當通過兩個HBLED的電流IF相同時，它們的后向電壓VF可能不同。 因此，通過恒定電壓的方式控制LED強度，可能會導致HBLED和HBLED之間的密度不同，并且要確保所有HBLED具有相同亮度，則必須提供一個電流控制。

不僅發(fā)光強度與通過HBLED的電流有關(guān)，色度也與HBLED電流有關(guān)。 為了保持HBLED顏色，HBLED必須采用恒定電流進行驅(qū)動。本解決方案將使用PWM(脈寬調(diào)制)，從而在HBLED(光照強度)中提供一個更低的平均電流，而同時還能保持相同的瞬時電流(LED顏色)。

隨著HBLED電流增加，功耗也將增加。電流為350mA。壓降為3V的HBLED大約會消耗1瓦的電，如果不進行正確的熱管理，這種耗散可能會導致HBLED過熱和長期性能下降。熱設(shè)計的另一個重要方面是，HBLED發(fā)光強度與LED結(jié)溫成反比，隨著溫度增加，發(fā)射器的顏色會進入更高的波長。

驅(qū)動高亮度LED所面臨的難題

在低強度LED中，使用電阻來限制IF電流非常普遍。 在HBLED中，電阻的額定功率必須更高，這會導致系統(tǒng)效率低下。 因此，在HBLED系統(tǒng)中，開關(guān)模式電源(SMPS)被用來提高效率和降低功耗。由于SMPS需要能源存儲組件(電感器和電容器)，因此價格通常更貴;同時，SMPS還可能造成噪音或EMI問題。

一組HBLED可以同時通過并聯(lián)或串聯(lián)方式驅(qū)動，并聯(lián)驅(qū)動使每個HBLED有不同的光照強度，但如果需要一個控制回路，每個HBLED會要求一個專用控制，因此對于大量HBLED來說費用過高。

以并聯(lián)方式連接HBLED時，每個燈串只需要一個驅(qū)動和控制回路，穿過串聯(lián)中所有HBLED的電流都相同，從而為它們提供相對恒定的亮度。 根據(jù)串聯(lián)的LED數(shù)量，線路穿要求的電壓可能低于或高于輸入電壓。

采用基于微控制器的解決方案

市場上有大量用來驅(qū)動HBLED恒定電流的解決方案，其中一部分基于專用智能模擬驅(qū)動，另一部分使用數(shù)字信號處理器(DSP)或帶獨立模擬驅(qū)動的微控制器。

人們普遍認為，基于MCU的解決方案不是執(zhí)行HBLED恒流控制的最好方法，特別是系統(tǒng)采用分離元件構(gòu)建的開關(guān)式電源時會變得不夠穩(wěn)定，并且不可能通過EMC認證。 飛思卡爾半導體公司現(xiàn)已創(chuàng)建了一款用于雙燈串HBLED照明控制的設(shè)計樣例。該HBLED基于S08MP16八位微控制器，MCU負責測量來自LED燈串的電流饋電，使用PID控制算法進行處理，從而控制獨立的降壓升壓開關(guān)式電源的操作，通過HBLED燈串確保最佳電流流量。

該微控制器還負責監(jiān)控用戶輸入、電池電壓和溫度傳感器，診斷實時的LED電源供應狀態(tài)，一些特別的通信功能，如LIN功能也可以在同一個微控制器中實施。

開關(guān)式電源用來提供到HBLED的電源，它是離散降壓升壓拓撲結(jié)構(gòu)，可以在1到18個LED燈串范圍(0V?65V的連續(xù)范圍)內(nèi)操作，并且在頻率為350kHz時運行500mA的輸出電流。應用框圖見圖1。

開關(guān)模式電源設(shè)計面臨的難題

對于大量HBLED，需要提供降壓升壓電源，以便感應高于或低于電池電壓(VBAT)的輸出電壓( VOUT )。

現(xiàn)在有許多降壓升壓拓撲可以使用，例如CUK電路或SEPIC轉(zhuǎn)換器，每個拓撲在要求的元件數(shù)量、正負電壓基準和效率方面具有不同的要求和各自的優(yōu)勢。

在本設(shè)計中選用的開關(guān)模式電源組合了一個降壓轉(zhuǎn)換器和一個升壓轉(zhuǎn)換器，它們使用共同的電感器和電容器，將操作模式從降壓變成升壓或從升壓變成降壓需要取決于晶體管Q1和Q2的狀態(tài)，如圖2所示。

該拓撲結(jié)構(gòu)降低了成本，不需要額外的電感器和電容器。此外，根據(jù)開關(guān)模式電源運行的模式，它的傳遞函數(shù)減少為一個共用降壓或升壓轉(zhuǎn)換器，從而從控制的角度簡化了設(shè)計。

為了控制使用獨立開關(guān)模式電源拓撲的EMC，需要設(shè)置緩沖過濾器，并將它們添加到開關(guān)晶體管Q1和Q2上;且需要在兩通道間將軟件控制策略設(shè)為中心對齊PWM和開/關(guān)時延。

選擇適當?shù)奈⒖刂破饔糜诤懔鱄BLED控制

開關(guān)模式電源(SMPS)要求準確的開關(guān)頻率和占空比，PWM信號抖動會反映在輸出電壓，進而反映在HBLED強度中。同時，為了節(jié)省感應器成本和電容器大小，必須將開關(guān)頻率提高為數(shù)萬赫茲。模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率和通道可用性，對于隨時監(jiān)測和控制HBLED電流和電壓也很重要。

為了實現(xiàn)HBLED恒流控制，S08MP16測量反映在電流檢測電阻里的HBLED燈串電流，這個電阻與HBLED燈串進行串聯(lián)。 S08MP16嵌入式12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以使用小電阻值，功耗極小。此外，通過使用ADC和電阻分壓器，可以測量過流和過壓情況下的SMPS輸出電壓及診斷開放負荷。

圖3 嵌入式PID控制框圖

為了控制開關(guān)式電源頻率和占空比，可以使用FlexTimer(FTM)模塊;在適合汽車版本中使用高達 40MHz的定時器操作頻率，可以生成高頻率和高分辨率的脈沖寬度調(diào)制(PWM)，每個燈串上可與更多HBLED一起操作，在進行小型操作時不會出現(xiàn)HBLED強度不穩(wěn)定的情況。此外，可編程時延模塊(PDB)用于在該應用程序中，可以將ADC讀數(shù)與PWM 切換頻率同步，從而確保只有在ON(開)狀態(tài)下電流出現(xiàn)穩(wěn)定時才會顯示ADC讀數(shù)。

如何計算八位微控制器的恒流控制算法

在大部分情況下，簡單的控制回路就能確保HBLED的正確驅(qū)動;借助閉環(huán)控制，該模塊能補償電池電壓、溫度或在開環(huán)中可能影響到HBLED電流的任何其他參數(shù)變化。

進行恒流控制時，該模塊提供在規(guī)定電壓保持HBLED燈串所需的電壓，這也使得每個燈串上的HBLED數(shù)目可以靈活設(shè)置，不需要進一步的校準和硬件更改。

要在8位微控制器中集成控制回路，應避免使用浮點庫;在本例中，可以使用16位變量來完成計算。

結(jié)論

要驅(qū)動HBLED很簡單，但要在不提高成本的情況下高效、可靠地驅(qū)動HBLED，則沒那么簡單。而使用8位低成本微處理器，只要它有正確的外設(shè)，就可以節(jié)省成本，并能高效、可靠地驅(qū)動HBLED。硬件和固件設(shè)計對于確保HBLED應用在模塊預期的使用周期期內(nèi)表現(xiàn)出預期的性能至關(guān)重要。

盡管本文的設(shè)計針對的是汽車應用，但這些概念和解決方案可以在使用HBLED的許多其他工業(yè)和消費電子應用中使用。