用PIC微控制器設(shè)計LED驅(qū)動控制電路的考慮

一、引言

近年來，隨著半導體技術(shù)的不斷發(fā)展，LED 作為一種供電電壓低，功耗小，壽命長，無輻射的新型光源，應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大，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)來驅(qū)動 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的影響維持恒定，從而使 LED 的亮度無明顯變化的亮度調(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)是失效識別。因 LED 具有很強的溫度相關(guān)性，大多失效又與溫度有關(guān)，故控制電路系統(tǒng)應(yīng)能履行溫度補償。此外，通過硬件選擇以適應(yīng)不同亮度LED組合的驅(qū)動也極必要。一塊芯片上可集成全部必要硬件功能的 PIC 微控制器，由于價格低廉，時鐘頻率高達 20MHz，功耗極低和工作溫度范圍寬等特點，非常適合作 LED 的驅(qū)動控制電路。本文即討論以PIC微控制器為控制單元設(shè)計LED驅(qū)動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)，一類可利用電或紫外光擦除與重寫的多功能集成器件。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)動控制電路系統(tǒng)的核心，需要用到其中幾個完整模塊和把一些管腳設(shè)定為模擬輸入。模擬電壓通過A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。 被轉(zhuǎn)換的信號由軟件選定直接發(fā)送給A/D模塊。模塊的恒定基準電壓可通過輸入管腳外部施加，也可通過內(nèi)部的基準電壓模塊施加。若采用后者，則 PIC 的電源電壓應(yīng)通過電壓調(diào)控器保持恒定?？刂破骶幊滩恍枰S多硬件，簡單的編程器件通過搜尋 www.ic-prog.com 上的實例即可建立?？刂破髦挟a(chǎn)生可執(zhí)行匯編程序的軟件都能免費下載。 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)計思路。以主程序為核心設(shè)置功能模塊子程序，簡化設(shè)計結(jié)構(gòu)。運行過程中通過主程序調(diào)用各 功能模塊子程序，進行循環(huán)控制即可滿足要求。

三、LED 的配置

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

譬如，若某個LED 失效，則非串聯(lián)情況下的其余 LED 仍繼續(xù)運作，但由于總電流可在剩余的三條通路中分配，故失效將導致并聯(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的電流增加得到補償。

四、驅(qū)動器的控制功能

① 調(diào)光

調(diào)光是驅(qū)動器控制最基本的功能，通過調(diào)光產(chǎn)生不同的 LED 亮度等級。采用脈寬調(diào)制 (PWM：pulse width modulation) 是解決調(diào)光的簡單辦法。PWM 信號實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。如果周期維持不便，亮度則可以利用脈沖的持續(xù)長度，即占空比 D 來調(diào)節(jié)。采用 PWM 信號的優(yōu)點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 器件中波長移位之類的負作用。

② 電流調(diào)整

驅(qū)動器控制的第二個功能是應(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LED流經(jīng)的電流都是確定的。為測定流經(jīng)二極管的電流，每個二極管都要采用串聯(lián)電阻。通過測 量電阻兩端的電壓可測出電阻流經(jīng)的電流，因此便可確定流經(jīng)LED的電流。電壓測量由 PIC 中電壓高達 5V ，并可與恒定基準電壓比較的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，一方面這是因為電壓的電平可能遠高于5V，另外，就是PWM 信號必須首先轉(zhuǎn)換成直流信號。經(jīng)過2次測量和隨后的相減會產(chǎn)生雙倍測量誤差。建議采用圖3所示消除雙倍測量誤差問題的電流測量電路。

采用該電路時，凡正輸入電壓與U1相接，負輸入電壓與U2相接。圖中U1和U2信號由RC元件轉(zhuǎn)換成直流信號再與運放連接。運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模塊測得的就是其差。這能使控制器對電流的變化做出反應(yīng)。由于運算放大器具有非常高的輸入阻 抗，故系統(tǒng)不會受測量電路影響。

③ 溫度測量

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

為在整個極端溫度范圍內(nèi)維持亮度恒定，必須采用溫度補償?？紤]到環(huán)境溫度的測量應(yīng)盡可能低廉，對二極管而言，補償精度要求不高，容差 5°C 已經(jīng)足夠。下面給出兩種可能的溫度測量方法：

采用溫度相關(guān)型電阻進行溫度測量

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

利用門限定時器測量溫度

該法利用了PIC門限定時器模塊的阻礙作用。門限定時器模塊由受內(nèi)部 RC振蕩器調(diào)節(jié)的8位定時器組成。通常，定時器在后臺運行且常被微處理器重置，如果控制器因差錯或陷進死循環(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)。如采用外部溫度補償?shù)臅r鐘發(fā)生器，則可通過比較兩個時鐘發(fā)生器來確定溫度。利用門限定時器測量溫度不需要外部元件，只是 PIC 制造商不能保證門限定時器的溫度相關(guān)性。

④ 故障識別

當然， LED 不工作時，亮度調(diào)節(jié)就沒有用處。下面介紹一種檢測陣列中單個LED對總故障貢獻的方法。故障識別可以采用以前用于檢測電流的電路。LED總的故障就是導致 通道中斷，因此造成串聯(lián)電阻無電流通過。由于昂貴的元件費用和所涉及裝備的限制，自然不可能對每個二極管都添加電流檢測電路。該問題此處采用了能使每個二 極管都被選取并與測量電路相連的多路復用開關(guān)來解決。圖5所示為含三個二極管電路采用多路復用開關(guān)故障識別技術(shù)的描述。

多路開關(guān)可通過微控制器進行數(shù)字控制。為確定電流調(diào)節(jié)二極管流經(jīng)的電流和幫助識別故障，每個 LED 都標有可供 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)動電路系統(tǒng)是一種附加選項。對于眾多 LED 來說, 必須注意將同類型的 LED 分成各種不同亮度的組。亮度不同組的使用導致 LED 流經(jīng)相同電流產(chǎn)生的亮度不同。亮度可用 PWM 信號調(diào)節(jié)?？删幊痰妮斎?輸出引腳即為無須重新編配控制器的調(diào)節(jié)方法而提供。因各獨立的亮度組均由數(shù)字選定，故要區(qū)分所有數(shù)字標志的亮度組，必須有足夠多 輸入引腳。例如，3 個輸入引腳，則可區(qū)分2 3 = 8 個亮度組。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 個輸入引腳可用 8 個不同亮度組的示例。根據(jù)電阻 R1X - R3X 的值、微控制器的輸入端將接收到大于 4V 的高電平信號或小于 1V 低電平信號，從而選定對應(yīng)的亮度組。

綜合以上考慮，可得圖 7 所示驅(qū)動電路系統(tǒng)設(shè)計原理圖：

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)動系統(tǒng)，本文討論了以 PIC 微控制器為控制單元設(shè)計 LED 驅(qū)動控制電路的各種考慮，提出了設(shè)計原理圖，但愿可為LED 完全取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈提供某些參考信息