基于微控制器的LED驅(qū)動器拓撲、權(quán)衡和局限

　　4、采用高端開關(guān)

　　除了負載和晶體管交換位置，這個電路與前面的完全相同。圖2E中顯示的開關(guān)就位于“高端”。我們還把FET從N通道變成P通道。N通道FET要求VGS>5V以完全導(dǎo)通：在本拓撲中，N通道的源極電壓會不斷變化，而且經(jīng)常在3伏以上，所以在門極上至少需要8伏的電壓。這就需要一個類似充電泵的門驅(qū)動電路，使得整個電路有點更加復(fù)雜。如果就用一個P通道FET，而且又可以直接從微控制器的輸出端為它提供-5V的VGS，那就簡單多了。這種拓撲類似于降壓轉(zhuǎn)換器的前端。

　　它的主要優(yōu)勢是能直接在R的兩端進行電流測量，因此不再需要差分測量的方法。

　　亮度調(diào)節(jié)技術(shù)

　　有很多技術(shù)都可以對LED進行亮度調(diào)節(jié)，其中不少是專利技術(shù)。這里對其中幾種進行簡要介紹。在所有方法中，平均發(fā)光度都是通過以非?？斓乃俣?避免閃爍)完全點亮(以其標(biāo)稱電流)再關(guān)閉LED獲得的，而且與LED點亮?xí)r間的百分比成正比。

　　1、脈寬調(diào)制

　　這種技術(shù)采用周期為T的固定頻率，如圖4所示。亮度的調(diào)節(jié)通過改變脈沖寬度來實現(xiàn)。圖4顯示了三種不同的發(fā)光度級別，其占空比分別是6%、50%和94%。

　　2、頻率調(diào)制

　　這種技術(shù)由Artistic Licence公布，它采用固定寬度控制脈沖的概念，如圖5所示。脈沖A總是相同的寬度，發(fā)光度由脈沖A的重復(fù)間隔來控制。

　　3、位角調(diào)制

　　這是一項由Artistic Licence發(fā)明的新技術(shù)，它基于一串包含發(fā)光強度的二進制脈沖列。脈沖列中的每一位都按其位值的比例延展。如果最低位b0的持續(xù)時間為1，那么b1位的持續(xù)時間就為2，相應(yīng)地，b2至b7位的持續(xù)時間就分別為4、8、16、32、64和128，如圖6所示。

　　通信協(xié)議

　　1、DMX512

　　DMX512是由U.S.I.T.T(美國劇場技術(shù)研究所)公布的一項標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議最初用來控制照明調(diào)光器，現(xiàn)在已經(jīng)延伸到控制燈具移動、幻燈片放映機和很多其它照明設(shè)施。DMX512運行在EIA-485標(biāo)準(zhǔn)上。數(shù)據(jù)在8位異步串行通信的基礎(chǔ)上進行傳輸，1個開始位、2個停止位，且無奇偶校驗。它具有256個亮度調(diào)節(jié)級別。

　　2、DALI (數(shù)字尋址照明接口)

　　DALI是為電子鎮(zhèn)流器的通信所開發(fā)的一種標(biāo)準(zhǔn)，它作為附錄包含在ECG標(biāo)準(zhǔn)IEC 929中。DALI被設(shè)計用于標(biāo)準(zhǔn)組件和簡單布線，即低成本應(yīng)用。

　　應(yīng)用領(lǐng)域可能是調(diào)節(jié)燈光和預(yù)置不同照明環(huán)境的數(shù)值、根據(jù)日照的方向和節(jié)能因素等適當(dāng)調(diào)節(jié)燈光設(shè)置。

　　DALI的基礎(chǔ)是主-從原則：用戶通過控制器(主機)對系統(tǒng)進行操作，控制器向所有鎮(zhèn)流器(從機)發(fā)送包含地址和命令的消息。地址決定著鎮(zhèn)流器是否應(yīng)該聽從指示。每個鎮(zhèn)流器都是數(shù)字尋址的，因此它對電磁噪聲并不敏感(優(yōu)于模擬1-10伏調(diào)光器開關(guān)系統(tǒng))。

　　3、ZigBee

　　Zigbee是由Home RF lite和IEEE 802.15.4規(guī)格結(jié)合而成的通信協(xié)議。Zigbee運行在2.4GHz和868/915MHz ISM波段內(nèi)。由于它能以較低的成本得到低功耗，照明應(yīng)用成為其主要市場之一。Zigbee提供的網(wǎng)絡(luò)功能在照明系統(tǒng)中也非常有用，而且它還具有無線控制的優(yōu)勢。

　　采用微控制器的局限

　　1、電壓和電流

　　如果VDD是LED和微控制器的共同電源，那么此電壓就只能驅(qū)動一個LED。我們已經(jīng)討論過的簡單拓撲不允許LED電壓高于VDD，請參見圖2和圖7。若串聯(lián)使用LED，則所有的LED有相同的電流，這是一個優(yōu)點，但VDD必須更高，而且微控制器需要一個單獨的電源。

　　2、支持通信的物理接口

　　微控制器只提供簡單的同步(SPI)或異步(SCI)通信。要想實施DALI、DMX、LIN通信協(xié)議等，它還需要額外的硬件和軟件。

　　3、恒流調(diào)節(jié)和開關(guān)速度

　　本應(yīng)用中的關(guān)鍵參數(shù)就是開關(guān)速度。開關(guān)速度越慢，電感器越大，成本也就越高。大多數(shù)微控制器都可以在大約15微秒內(nèi)完成A/D轉(zhuǎn)換。加上一些比較讀數(shù)和內(nèi)部閾值的指令，現(xiàn)在，我們可以說一個完整的開關(guān)周期為30至40微秒，再加上15微秒的不確定時間。這個誤差定義了圖8中所示的最小電感值。另外一個方案就是任意設(shè)置導(dǎo)通和關(guān)斷的持續(xù)時間，然后根據(jù)實際情況重新調(diào)節(jié)這些值，去嘗試并達到兩個電流閾值。這種間接方案允許采用更小、成本更低的電感器，但是準(zhǔn)確度較差。

　　4、調(diào)光和調(diào)制速度

　　在100%的發(fā)光度上無需調(diào)制晶體管。在另外一個極端，對最低的發(fā)光度級別(如1%)來說，需要將晶體管開啟1%的時間。假設(shè)亮度調(diào)節(jié)必須在100 Hz或更高的頻率上完成，以避免閃爍現(xiàn)象，則PWM頻率必須是10 kHz或更高。但是肉眼在低發(fā)光度區(qū)間可以分辨出細微的變化，因此100級是遠遠不夠的。如果需要4000級(12位分辨率)，則PWM的頻率必須達到400 kHz以上，這對一個簡單微控制器來說幾乎是不可能的。

　　未來展望

　　現(xiàn)在，我們已經(jīng)看到設(shè)計一個基于微控制器的高亮度LED驅(qū)動器是多么簡單。三個主要的局限在于處理速度和電感器的大小及調(diào)光分辨率的影響、具有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的通信功能，以及對多輸出和/或LED串的驅(qū)動能力。