用PIC微控制器設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)控制電路的考慮

一、引言

近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，LED 作為一種供電電壓低，功耗小，壽命長(zhǎng)，無(wú)輻射的新型光源，應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，完全可望取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈燈泡，成為固態(tài)照明的關(guān)鍵光源。許多固態(tài)照 明應(yīng)用常采用智能控制電路系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng) LED 以履行各種功能和任務(wù)，譬如為確保流經(jīng) LED 的電流不受供電電壓波動(dòng)的影響維持恒定，從而使 LED 的亮度無(wú)明顯變化的亮度調(diào)節(jié)就是控制電路系統(tǒng)的任務(wù)之一。亮度調(diào)節(jié)涉及電流調(diào)整與調(diào)光控制?？刂齐娐废到y(tǒng)的另一任務(wù)是失效識(shí)別。因 LED 具有很強(qiáng)的溫度相關(guān)性，大多失效又與溫度有關(guān)，故控制電路系統(tǒng)應(yīng)能履行溫度補(bǔ)償。此外，通過(guò)硬件選擇以適應(yīng)不同亮度LED組合的驅(qū)動(dòng)也極必要。一塊芯片上可集成全部必要硬件功能的 PIC 微控制器，由于價(jià)格低廉，時(shí)鐘頻率高達(dá) 20MHz，功耗極低和工作溫度范圍寬等特點(diǎn)，非常適合作 LED 的驅(qū)動(dòng)控制電路。本文即討論以PIC微控制器為控制單元設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)控制電路的一些考慮。

二、PIC 微控制器

PIC 即可編程中斷控制器(Programmable Interrupt Controller)，一類(lèi)可利用電或紫外光擦除與重寫(xiě)的多功能集成器件。圖 1 為微芯(Microchip)公司 PIC 微控制器典型的功能框圖。

采用PIC微控制器作LED驅(qū)動(dòng)控制電路系統(tǒng)的核心，需要用到其中幾個(gè)完整模塊和把一些管腳設(shè)定為模擬輸入。模擬電壓通過(guò)A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。 被轉(zhuǎn)換的信號(hào)由軟件選定直接發(fā)送給A/D模塊。模塊的恒定基準(zhǔn)電壓可通過(guò)輸入管腳外部施加，也可通過(guò)內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓模塊施加。若采用后者，則 PIC 的電源電壓應(yīng)通過(guò)電壓調(diào)控器保持恒定?？刂破骶幊滩恍枰S多硬件，簡(jiǎn)單的編程器件通過(guò)搜尋 www.ic-prog.com 上的實(shí)例即可建立。控制器中產(chǎn)生可執(zhí)行匯編程序的軟件都能免費(fèi)下載。 PIC推薦使用處理方便和允許更改的C編譯器，程序可采用模塊化設(shè)計(jì)思路。以主程序?yàn)楹诵脑O(shè)置功能模塊子程序，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)主程序調(diào)用各 功能模塊子程序，進(jìn)行循環(huán)控制即可滿(mǎn)足要求。

三、LED 的配置

設(shè)計(jì)LED 驅(qū)動(dòng)電路必須考慮 LED 的配置。原則上， LED有三種可能配置：整個(gè)電路以電阻構(gòu)成陣列連接，每個(gè)LED與電阻串聯(lián)或與電阻構(gòu)成陣列連接。圖 2 為以每個(gè)LED一個(gè)電阻構(gòu)成的LED列陣連接。圖中每個(gè)LED擁有各自的電阻，這些電阻可作調(diào)節(jié)二極管電流的基準(zhǔn)電阻用。

譬如，若某個(gè)LED 失效，則非串聯(lián)情況下的其余 LED 仍繼續(xù)運(yùn)作，但由于總電流可在剩余的三條通路中分配，故失效將導(dǎo)致并聯(lián)二極管中的電流增多，引起亮度的不均勻分布，不過(guò)亮度的損失根本上可由與失效器件同一通路中其余LED的電流增加得到補(bǔ)償。

四、驅(qū)動(dòng)器的控制功能

① 調(diào)光

調(diào)光是驅(qū)動(dòng)器控制最基本的功能，通過(guò)調(diào)光產(chǎn)生不同的 LED 亮度等級(jí)。采用脈寬調(diào)制 (PWM：pulse width modulation) 是解決調(diào)光的簡(jiǎn)單辦法。PWM 信號(hào)實(shí)際上就是周期切換直流電壓的通斷，故利用微處理器內(nèi)置的 PWM 模塊即可方便設(shè)定和控制 PWM 信號(hào)。如果周期維持不便，亮度則可以利用脈沖的持續(xù)長(zhǎng)度，即占空比 D 來(lái)調(diào)節(jié)。采用 PWM 信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是可以保持峰值電流恒定，從而可以防止由于峰值電流升高產(chǎn)生如諸如 InGaN 器件中波長(zhǎng)移位之類(lèi)的負(fù)作用。

② 電流調(diào)整

驅(qū)動(dòng)器控制的第二個(gè)功能是應(yīng)使 LED的亮度保持不變。為保證 LED亮度不變，則流經(jīng)LED的電流必須恒定。這就要求各單個(gè)LED流經(jīng)的電流都是確定的。為測(cè)定流經(jīng)二極管的電流，每個(gè)二極管都要采用串聯(lián)電阻。通過(guò)測(cè) 量電阻兩端的電壓可測(cè)出電阻流經(jīng)的電流，因此便可確定流經(jīng)LED的電流。電壓測(cè)量由 PIC 中電壓高達(dá) 5V ，并可與恒定基準(zhǔn)電壓比較的A/D模塊執(zhí)行。但A/D模塊不能直接連接到串聯(lián)電阻兩端，一方面這是因?yàn)殡妷旱碾娖娇赡苓h(yuǎn)高于5V，另外，就是PWM 信號(hào)必須首先轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)。經(jīng)過(guò)2次測(cè)量和隨后的相減會(huì)產(chǎn)生雙倍測(cè)量誤差。建議采用圖3所示消除雙倍測(cè)量誤差問(wèn)題的電流測(cè)量電路。

采用該電路時(shí)，凡正輸入電壓與U1相接，負(fù)輸入電壓與U2相接。圖中U1和U2信號(hào)由RC元件轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)再與運(yùn)放連接。運(yùn)放可利用各種電阻配置 成減法器。就該電路而言，U1的直流電壓將從U2減去，A/D模塊測(cè)得的就是其差。這能使控制器對(duì)電流的變化做出反應(yīng)。由于運(yùn)算放大器具有非常高的輸入阻 抗，故系統(tǒng)不會(huì)受測(cè)量電路影響。

③ 溫度測(cè)量

然而由于受溫度的影響，即使電流不變，亮度也會(huì)變化。圖4所示即亮度與溫度的相互關(guān)系：

為在整個(gè)極端溫度范圍內(nèi)維持亮度恒定，必須采用溫度補(bǔ)償。考慮到環(huán)境溫度的測(cè)量應(yīng)盡可能低廉，對(duì)二極管而言，補(bǔ)償精度要求不高，容差 5°C 已經(jīng)足夠。下面給出兩種可能的溫度測(cè)量方法：

采用溫度相關(guān)型電阻進(jìn)行溫度測(cè)量

首先選一個(gè)溫度相關(guān)型電阻與一個(gè)溫度不相關(guān)電阻串聯(lián)。通過(guò)A/D模塊測(cè)量電壓，溫度便能確定，控制器即可作出相應(yīng)反應(yīng)。該法的缺點(diǎn)是必須在PIC中以數(shù)值表形式保存電阻的響應(yīng)曲線(xiàn)。

利用門(mén)限定時(shí)器測(cè)量溫度

該法利用了PIC門(mén)限定時(shí)器模塊的阻礙作用。門(mén)限定時(shí)器模塊由受內(nèi)部 RC振蕩器調(diào)節(jié)的8位定時(shí)器組成。通常，定時(shí)器在后臺(tái)運(yùn)行且常被微處理器重置，如果控制器因差錯(cuò)或陷進(jìn)死循環(huán)。就能重新回到設(shè)定狀態(tài)。但所用 RC 振蕩器應(yīng)與溫度相關(guān)。如采用外部溫度補(bǔ)償?shù)臅r(shí)鐘發(fā)生器，則可通過(guò)比較兩個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器來(lái)確定溫度。利用門(mén)限定時(shí)器測(cè)量溫度不需要外部元件，只是 PIC 制造商不能保證門(mén)限定時(shí)器的溫度相關(guān)性。

④ 故障識(shí)別

當(dāng)然， LED 不工作時(shí)，亮度調(diào)節(jié)就沒(méi)有用處。下面介紹一種檢測(cè)陣列中單個(gè)LED對(duì)總故障貢獻(xiàn)的方法。故障識(shí)別可以采用以前用于檢測(cè)電流的電路。LED總的故障就是導(dǎo)致 通道中斷，因此造成串聯(lián)電阻無(wú)電流通過(guò)。由于昂貴的元件費(fèi)用和所涉及裝備的限制，自然不可能對(duì)每個(gè)二極管都添加電流檢測(cè)電路。該問(wèn)題此處采用了能使每個(gè)二 極管都被選取并與測(cè)量電路相連的多路復(fù)用開(kāi)關(guān)來(lái)解決。圖5所示為含三個(gè)二極管電路采用多路復(fù)用開(kāi)關(guān)故障識(shí)別技術(shù)的描述。

多路開(kāi)關(guān)可通過(guò)微控制器進(jìn)行數(shù)字控制。為確定電流調(diào)節(jié)二極管流經(jīng)的電流和幫助識(shí)別故障，每個(gè) LED 都標(biāo)有可供 PIC 選用的地址。

⑤ 不同亮度組的調(diào)節(jié)

由調(diào)節(jié)不同亮度組構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)是一種附加選項(xiàng)。對(duì)于眾多 LED 來(lái)說(shuō), 必須注意將同類(lèi)型的 LED 分成各種不同亮度的組。亮度不同組的使用導(dǎo)致 LED 流經(jīng)相同電流產(chǎn)生的亮度不同。亮度可用 PWM 信號(hào)調(diào)節(jié)?？删幊痰妮斎?輸出引腳即為無(wú)須重新編配控制器的調(diào)節(jié)方法而提供。因各獨(dú)立的亮度組均由數(shù)字選定，故要區(qū)分所有數(shù)字標(biāo)志的亮度組，必須有足夠多 輸入引腳。例如，3 個(gè)輸入引腳，則可區(qū)分2 3 = 8 個(gè)亮度組。于是根據(jù)輸入引腳的組態(tài)(高或低)，便可指定控制器輸入處的數(shù)目選定相應(yīng)的亮度組，其亮度因此也可調(diào)節(jié)。圖 6 所示為 3 個(gè)輸入引腳可用 8 個(gè)不同亮度組的示例。根據(jù)電阻 R1X - R3X 的值、微控制器的輸入端將接收到大于 4V 的高電平信號(hào)或小于 1V 低電平信號(hào)，從而選定對(duì)應(yīng)的亮度組。

綜合以上考慮，可得圖 7 所示驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖：

五、結(jié)論

PIC 微控制器能在一塊芯片上集成眾多必需的硬件功能，非常適合作LED智能控制的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，本文討論了以 PIC 微控制器為控制單元設(shè)計(jì) LED 驅(qū)動(dòng)控制電路的各種考慮，提出了設(shè)計(jì)原理圖，但愿可為L(zhǎng)ED 完全取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈提供某些參考信息