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基于MC9RS08KA2的高亮度LED應(yīng)用設(shè)計思路

作者: 時間:2011-07-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  發(fā)光二級管(LED)技術(shù)面世已有大約半個世紀。發(fā)光二級管是一種能在電壓出現(xiàn)偏差時發(fā)光的半導體設(shè)備。由于具有低功率和低電壓運行的特點,該技術(shù)很快應(yīng)用于各種電子設(shè)備的狀態(tài)指示。LED 技術(shù)的使用壽命通常非常長,一般可達10 年,遠遠長于其它傳統(tǒng)照明技術(shù)(例如白熾燈管和熒光燈管)。這就使人們非常希望將LED 技術(shù)應(yīng)用到更廣泛的照明應(yīng)用中。

  最近面世的新技術(shù)使LED 能夠達到更高的功率水平。LED 能夠達到一瓦特的水平,有些甚至高達5 瓦特,每瓦特能發(fā)出18-44 流明(lumen)的光亮。這種LED設(shè)備稱為高亮LED(HB-LED)。由于效率方面的明顯改進,HB-LED 正被迅速用于多種照明應(yīng)用。

  下面是這些應(yīng)用的一些例子:

  交通信號燈

  平面顯示設(shè)備的背景照明裝置

  閃光燈

  家庭照明

  HB-LED 具有非線性I-V 特征,非常類似于二極管,HB-LED 只能在直流電單向輸送到設(shè)備時才能點亮,一般稱之為正向電流IF 。通過HB-LED 的壓降則稱為正向電壓VF。要讓HB-LED 實現(xiàn)最高亮度,通過HB-LED 的正向電流必須保持恒定水平。在一般的1W HB-LED 而言,正向電流需保持在大約350mA 的水平,而相應(yīng)的正向電壓則大約為3.4V,HB-LED 便能達到其最大亮度。

  正向電流IF 和正向電壓VF 有著非常緊密的關(guān)系,VF 出現(xiàn)小的變化亦會引起IF 發(fā)生較大的改變。HB-LED 驅(qū)動的理想電源是恒定電源。實際上,恒定電流通常通過閉合回路電流控制直流-直流轉(zhuǎn)換器(DC-DC converter)來實現(xiàn)。市場上有很多基于獨立模擬組件、成本相對較低的DC-DC 轉(zhuǎn)換器解決方案。然而,基于微控制器(MCU)的解決方案可為系統(tǒng)設(shè)計帶來更大的靈活性。除了普通照明以外,這種控制器還能為最終應(yīng)用提供足夠的處理功能以支持額外的特性。因此它仍然具有較大的吸引力。

  基于MCU 的設(shè)計的部分優(yōu)點如下:

  (1) 燈光亮度調(diào)節(jié)和閃爍可以通過MCU 軟件輕松實現(xiàn),而無需向系統(tǒng)中增裝其它組件。

  (2) 不同功率或不同品牌的HB-LED 具有不同的特征,MCU 可以通過軟件編程以滿足不同的驅(qū)動要求。在這種情況下,照明設(shè)備制造商可以減少庫存的類型,進而簡化物流處理工作。

  (3) 許多MCU 具有芯片閃存,可以用于應(yīng)用中的數(shù)據(jù)存儲。例如,在實施燈光亮度控制功能時,芯片閃存可用于保存亮度級別。每次打開燈光時可以自動恢復上一次的亮度級別。

  (4) 除照明外,MCU 還可以處理幾種功能,如不同類型的連接標準(如Zigbee、RS232 和LIN 等)亦可以通過MCU 芯片模塊輕松實施。

  拓撲

  HB-LED 驅(qū)動需要恒定電源。它通常需要閉環(huán)控制。有時系統(tǒng)采用電池供電,電池電壓會隨時間而不斷下降。在電池電量全部用完之前,需要反饋控制回路來保持恒定的驅(qū)動電流。此外HB-LED 的正向電壓VF 會隨周圍環(huán)境溫度的變化而變化,因此需要閉環(huán)控制來補償VF 的變化,以便保持正向電流IF 以及HB-LED 亮度的穩(wěn)定。

  人們一般采用轉(zhuǎn)換模式調(diào)節(jié)方法而不是直線調(diào)節(jié)方法來驅(qū)動HB-LED。開關(guān)調(diào)節(jié)器有著更高的功能轉(zhuǎn)換效率及較適合用于數(shù)字設(shè)計上。

  假設(shè)電源電壓是高于所需的HB-LED 正向電壓,開關(guān)調(diào)節(jié)器會通過電源電壓斬波來進行整流,控制斬波時的占空比可以控制輸出的平均電流。斬波機制的執(zhí)行很簡單,只需使用一個功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)充當開關(guān)來斷開電源和用電設(shè)備之間的電流。MOSFET 由脈寬調(diào)制(PWM)輸出控制,其中的斬波頻率亦相等于PWM輸出的頻率。

  通常情況下,如果電源電壓和所需的負載電流都是恒定的,則不需要任何反饋控制環(huán)路(如圖1 所示)。開關(guān)調(diào)節(jié)器可以通過調(diào)節(jié)斬波頻率或其占空比來控制設(shè)備的平均電流。然而有些情況這種拓撲并不適用。如所需設(shè)備電流比較大時,切斷電流會產(chǎn)生較大的電流尖峰,而這可能會影響系統(tǒng)的電磁干擾(EMI)性能。

直接斬波拓撲

圖1:直接斬波拓撲

  如果不要讓設(shè)備上的電流被切斷,則必須使用能源存儲設(shè)備來確保當電源被切斷時,電流亦不會被立刻切斷。一個明智的選擇是在設(shè)備的電路路徑上添加電感。在PWM循環(huán)過程中,能量保存在電感中。電源被切斷時,保存的能源釋放出來,繼續(xù)為設(shè)備供電。這種拓撲稱為buck 變換器(buck converter)。圖2 是常見buck 變換器的示意圖?!?/FONT>

Buck變換器拓撲

圖2:Buck變換器拓撲

  Buck變換器

  Buck 變換器只能用于執(zhí)行降壓操作,就是當電源電壓是高于所需要的設(shè)備電壓時。如圖2 所示,當電源開關(guān)SW1 閉合時,輸入電壓VIN 連接到電感L 的輸入端。逆向偏壓二極管能確保設(shè)備電流在一個方向上傳輸。與此同時,電感中保存的能源不斷增加。當電源開關(guān)斷開時,電感中保存的電能釋放出來,電流流經(jīng)二極管持續(xù)提供給設(shè)備。電感中存儲的電能逐漸減少,設(shè)備電流亦開始下降。Buck 變換器的主要電能存儲設(shè)備是電感。電感的設(shè)計必須確保有足夠的電能存儲空間,滿足電源關(guān)閉期間(SW1 打開)的設(shè)備電源要求。對于HB-LED 應(yīng)用,HB-LED 需在恒定電流下工作,buck 變換器亦被認為只在連續(xù)導通狀態(tài)(continuous conduction mode ) 下運行。

  感應(yīng)器電流有兩種狀態(tài):通流狀態(tài)(SW1 閉合)和斷流狀態(tài)(SW1 打開)。處于通流狀態(tài)時,電感的電流開始直線上升,電流的最大變化可以使用下列公式計算:

  其中tON 是SW1 閉合的時間。VOUT 是設(shè)備RL上的電壓。同樣,處于斷流狀態(tài)時,電感電流在SW1 打開期間下降,電流的最大變化可以使用以下公式計算:

  其中tOFF 是SW1 打開的時間。VD 表示二極管上的電壓。假設(shè)tON 與tOFF 之和是開關(guān)時間的總長短T,那么tON 亦可以計算為:

  其中D 是閉合時間的占空比。在理想情況下,逆向二極管的壓降VD 為零,打開和關(guān)閉狀態(tài)之間的電感電流之和是恒定的。如公式(4)所示,我們可以很容易地推斷出來,buck 變換器的輸出電壓增益等于占空比D 而且永遠小于1。

  公式(1)和(2)定義了輸出負載上的最大紋波電流。如果定義了可接受的紋波電流IL、開關(guān)頻率SW1(1/T)、電源電壓VIN 和目標輸出電壓VOUT,則可以通過公式(1)和(3)計算出所需的電感值。

  閉環(huán)控制

  使用 buck 變換器驅(qū)動HB-LED 時,系統(tǒng)必須能夠保持恒定的輸出電流。輸出電壓或輸出電流通過改變電源開關(guān)SW1 的占空比直接進行控制。非常普遍的做法是采用低歐姆電阻(通常1Ω - 5Ω)作為電流感應(yīng)器來監(jiān)控HB-LED 的正向電流。該電阻將正向電流轉(zhuǎn)換成電壓,并與恒定參考電壓VREF 進行比較。VREF 是預先定義的,而對應(yīng)于所需的目標負載電流。如果電流感應(yīng)器電壓高于參考電壓,則表示負載電流高于目標電流。反饋環(huán)路會減少占空比D 來驅(qū)動電源開關(guān)。相反,如果電流感應(yīng)器電壓低于參考電壓,占空比D 則會增加。圖3 為閉環(huán)控制buck 變換器的示意圖。

閉環(huán)控制buck變換器

圖3:閉環(huán)控制buck變換器

  在某些情況下,電源電壓VIN 并不穩(wěn)


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