如何應對新型大功率LED的設計挑戰(zhàn)
加入技術交流群
簡介
數(shù)十年來，不起眼的發(fā)光二極管（led）已經(jīng)在眾多應用中得以廣泛采納，設計人員對其設計要求非常熟悉，以至于大多數(shù)人都不太會對它們進行深入的思考。不過，一種新型的大功率led正在崛起，而最新的技術進步已把人們的目光再次聚焦于這一不起眼的發(fā)光二極管身上。
新一代的1w、3w和5wled的輸出是標準led輸出的10～50倍，這使得在利用這些新型led進行設計時要面臨很多設計挑戰(zhàn)，而且選擇合適的單片機驅(qū)動新型led也不再是一項簡單的任務。
為了說明更高的驅(qū)動電平需求，表1列出了3種不同大功率led的典型驅(qū)動電流和電壓。
驅(qū)動器、電壓基準、電池檢測和溫度監(jiān)控都有多種選擇，而適當?shù)耐庠O組合又取決于多種因素。
輸出功率的增加勢必提高了對led的驅(qū)動要求。為了得到足夠的亮度，一個5w的led要求7v時驅(qū)動電流達到0.7a。這比要求1.4vdc時驅(qū)動電流僅要20ma的標準led要高多了。
目前，二極管的冷卻是機械設計和電路板布局需要考慮的主要問題。管芯溫度也會影響器件的輸出亮度，因為當器件從環(huán)境溫度升到120℃時，亮度就會下降多達35%。led的管芯溫度也會影響器件的發(fā)光波長，在100℃的溫度變化下波長幾乎可以改變4~9nm。
為了滿足這些特殊要求，需要某種形式的功率調(diào)節(jié)為新型led供電并進行監(jiān)控。此外，如果led需要根據(jù)用戶輸入或其他外部輸入閃爍或暗淡下去，它們還需要一個小型單片機來控制功率電路。首先需要做的是決定哪一種驅(qū)動器拓撲結(jié)構最合適，然后確定哪一個單片機擁有合適的外設。
線性驅(qū)動器
與任何其他大功率驅(qū)動器相比，大功率led驅(qū)動器設計具有突出的線性控制和高效特性。如果需要控制led的亮度，很顯然需要線性化。即使器件不是由電池供電的，由于幾瓦特的功率驅(qū)動器涉及潛在高溫，高效性就成為了關注的焦點。
大多數(shù)不同的拓撲結(jié)構主要分為兩類 線性式和開關式。雖然線性式具有簡單的優(yōu)點，但開關式的效率更高。需要評估線性式驅(qū)動器拓撲結(jié)構和若干開關式驅(qū)動器拓撲結(jié)構的變體，以決定需要哪些外設。
通常，一個線性灌電流式驅(qū)動器由一個運算放大器、一個功率晶體管和一個電流感應電阻器組成（見圖1）。從圖1中可以看到，線性驅(qū)動器需要的外設最少，是一個簡單電路。其僅有的元件就是運算放大器、mosfet和感應電阻器。
線性驅(qū)動器的不足之處是效率低下。如果這個驅(qū)動器電路有足夠大的散熱器，那么這就不會是問題，而可以使用線性驅(qū)動器。然而，在大多數(shù)情況下，由于傳輸晶體管的功耗問題，很少會在這種應用中采用線性驅(qū)動器。
開關式電源驅(qū)動器
開關式電源(smps)驅(qū)動器旨在通過一個電感器將能量從電源傳給負載。通常是用一個pwm控制信號對mosfet晶體管進行導通/關斷來實現(xiàn)的。
通過改變pwm的占空比和電感器的充放電時間，可以對輸入電壓與輸出的比率進行調(diào)節(jié)。反饋電路可對輸出電壓進行監(jiān)控，并對充電和放電占空比進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)，以保持恒定的輸出電壓。為了滿足led的電流控制要求，因為反饋源是唯一需要進行改變的內(nèi)容，所以可以對led的電流進行微小的更改，而不是更改輸出電壓。
某些smps驅(qū)動器的不同變體可能采用不同類型的smps驅(qū)動器。一個典型的smps驅(qū)動器可使用一個外部輸出電壓可調(diào)的開關穩(wěn)壓器芯片來建立驅(qū)動器電流輸出（見圖2）。
增加運算放大器可將電流感應電壓提升到開關穩(wěn)壓器芯片的內(nèi)部基準電壓。不過，由于穩(wěn)壓器芯片的內(nèi)部基準電壓是固定的，改變輸出電流的唯一方法是改變電阻器r1和r2的比值。
另一個例子使用了一個可編程開關式控制器（psmc）外設作為pwm開關控制。這個外設類似于一個獨立的開關式電源驅(qū)動器，其不同之處是：它是由相連的單片機控制的，其基準電壓可以從外部電源獲得，以簡化亮度控制（見圖3）。
第三種選擇是將反饋路徑變?yōu)檐浖?。在這個驅(qū)動器中，電流反饋由adc進行數(shù)字化，適當?shù)匦薷膒wm值，而新的pwm開關信號是由一個硬件pwm外設產(chǎn)生的（見圖4）。
第四種也是最后一種值得考慮的驅(qū)動器，它是一個簡單的變頻開關式驅(qū)動器，基于一個配置成多諧振蕩器的電壓比較器。在這個拓撲結(jié)構中，反饋和pwm的生成都是由單個比較器電路實現(xiàn)的。該電路可對pwm定時進行轉(zhuǎn)換，以使平均電流等于驅(qū)動電平輸入（見圖5）。
驅(qū)動電平電壓的生成
除了兩種例外情況，驅(qū)動器電路的選擇將需要一個可變的dc驅(qū)動電平，以控制驅(qū)動器的輸出電流。因此，單片機必須有某種數(shù)模轉(zhuǎn)換（dac）外設來控制驅(qū)動器。
產(chǎn)生dc驅(qū)動電平的方法之一是在單片機的控制下建立一個pwm信號，然后該信號通過一個外部低通rc濾波器進行過濾，以形成dc電壓。驅(qū)動電平pwm信號可以由一個片上pwm外設或軟件產(chǎn)生，而且由于驅(qū)動電平pwm只能產(chǎn)生一個驅(qū)動器的控制電壓，而不是實際的驅(qū)動器pwm，所以它可以在非常低的頻率下工作。不過，值得注意的是，驅(qū)動器的響應時間取決于第二個pwm rc濾波器的響應時間。
還有一種方法是用dac或數(shù)字電位計直接建立驅(qū)動電平。這兩種器件都可以通過直接改變基準電壓來產(chǎn)生輸出電壓。由于不需要外部濾波器，這些器件的響應時間不會對驅(qū)動器電路的響應時間造成限制。
為生成驅(qū)動電平電壓而需要考慮的最后一個方面是：單片機的電源電壓的變化對驅(qū)動電平電壓的影響。如果為生成驅(qū)動電平電壓所選的方法是通過改變單片機的電源電壓來產(chǎn)生其輸出電壓，而且，單片機是直接由電池供電的，那么，當供給單片機的電池電壓下降時，驅(qū)動電平輸出就可能下降。如果發(fā)生了這個問題，只要增加一個測量電池電壓的電路，即可利用軟件對驅(qū)動電平進行補償。
溫度監(jiān)控
在選擇好驅(qū)動器拓撲結(jié)構之后，設計剩下的唯一接口要求是監(jiān)控led管芯溫度的方法。有幾種可供使用的溫度傳感器，每一種都有其自己的輸出格式。單片機將需要一個連接傳感器的適當外設。
單片機的選擇
一旦決定了驅(qū)動電路和溫度監(jiān)視器接口，就該選擇適當?shù)膯纹瑱C了，即：
加入所有輸入和輸出的外設要 求；
根據(jù)所使用的單片機制造商的外
設組合對外設要求進行匹配；
如果單片機上沒有所需的外設，
單片機就需要有適當?shù)耐ㄐ磐庠O
(如i2c 、spi或相應的軟件)與外
部外設進行通信。
表2、表3、表4匯集了所有可能使用的驅(qū)動器、各種溫度傳感器以及與控制電路有關的其他方面對外設的要求。
結(jié)論
選擇單片機驅(qū)動新型大功率led不再是一個簡單的任務。適當?shù)耐庠O組合取決于多個因素，諸如成本、尺寸、驅(qū)動器拓撲結(jié)構、電池監(jiān)控、溫度感應以及所有其他所需的輸入/輸出等。此外，某些傳統(tǒng)的基于硬件的功能可能由于成本的原因采用軟件更為適當。而且，利用一種有機的方法和前瞻性計劃，為驅(qū)動大功率led選擇合適的單片機并非高不可攀。
評論