如何應(yīng)對(duì)新型大功率LED的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

簡(jiǎn)介

數(shù)十年來(lái)，不起眼的發(fā)光二極管（led）已經(jīng)在眾多應(yīng)用中得以廣泛采納，設(shè)計(jì)人員對(duì)其設(shè)計(jì)要求非常熟悉，以至于大多數(shù)人都不太會(huì)對(duì)它們進(jìn)行深入的思考。不過(guò)，一種新型的大功率led正在崛起，而最新的技術(shù)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)led輸出的10～50倍，這使得在利用這些新型led進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要面臨很多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，而且選擇合適的單片機(jī)驅(qū)動(dòng)新型led也不再是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)。

為了說(shuō)明更高的驅(qū)動(dòng)電平需求，表1列出了3種不同大功率led的典型驅(qū)動(dòng)電流和電壓。

輸出功率的增加勢(shì)必提高了對(duì)led的驅(qū)動(dòng)要求。為了得到足夠的亮度，一個(gè)5w的led要求7v時(shí)驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到0.7a。這比要求1.4vdc時(shí)驅(qū)動(dòng)電流僅要20ma的標(biāo)準(zhǔn)led要高多了。

目前，二極管的冷卻是機(jī)械設(shè)計(jì)和電路板布局需要考慮的主要問(wèn)題。管芯溫度也會(huì)影響器件的輸出亮度，因?yàn)楫?dāng)器件從環(huán)境溫度升到120℃時(shí)，亮度就會(huì)下降多達(dá)35%。led的管芯溫度也會(huì)影響器件的發(fā)光波長(zhǎng)，在100℃的溫度變化下波長(zhǎng)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(jìn)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(gè)小型單片機(jī)來(lái)控制功率電路。首先需要做的是決定哪一種驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最合適，然后確定哪一個(gè)單片機(jī)擁有合適的外設(shè)。

線性驅(qū)動(dòng)器

與任何其他大功率驅(qū)動(dòng)器相比，大功率led驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)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(dòng)器涉及潛在高溫，高效性就成為了關(guān)注的焦點(diǎn)。

大多數(shù)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為兩類 線性式和開關(guān)式。雖然線性式具有簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但開關(guān)式的效率更高。需要評(píng)估線性式驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和若干開關(guān)式驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變體，以決定需要哪些外設(shè)。

通常，一個(gè)線性灌電流式驅(qū)動(dòng)器由一個(gè)運(yùn)算放大器、一個(gè)功率晶體管和一個(gè)電流感應(yīng)電阻器組成（見(jiàn)圖1）。從圖1中可以看到，線性驅(qū)動(dòng)器需要的外設(shè)最少，是一個(gè)簡(jiǎn)單電路。其僅有的元件就是運(yùn)算放大器、mosfet和感應(yīng)電阻器。

開關(guān)式電源驅(qū)動(dòng)器

開關(guān)式電源(smps)驅(qū)動(dòng)器旨在通過(guò)一個(gè)電感器將能量從電源傳給負(fù)載。通常是用一個(gè)pwm控制信號(hào)對(duì)mosfet晶體管進(jìn)行導(dǎo)通/關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
通過(guò)改變pwm的占空比和電感器的充放電時(shí)間，可以對(duì)輸入電壓與輸出的比率進(jìn)行調(diào)節(jié)。反饋電路可對(duì)輸出電壓進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)充電和放電占空比進(jìn)行適當(dāng)?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?yàn)榉答佋词俏ㄒ恍枰M(jìn)行改變的內(nèi)容，所以可以對(duì)led的電流進(jìn)行微小的更改，而不是更改輸出電壓。

某些smps驅(qū)動(dòng)器的不同變體可能采用不同類型的smps驅(qū)動(dòng)器。一個(gè)典型的smps驅(qū)動(dòng)器可使用一個(gè)外部輸出電壓可調(diào)的開關(guān)穩(wěn)壓器芯片來(lái)建立驅(qū)動(dòng)器電流輸出（見(jiàn)圖2）。

另一個(gè)例子使用了一個(gè)可編程開關(guān)式控制器（psmc）外設(shè)作為pwm開關(guān)控制。這個(gè)外設(shè)類似于一個(gè)獨(dú)立的開關(guān)式電源驅(qū)動(dòng)器，其不同之處是：它是由相連的單片機(jī)控制的，其基準(zhǔn)電壓可以從外部電源獲得，以簡(jiǎn)化亮度控制（見(jiàn)圖3）。

除了兩種例外情況，驅(qū)動(dòng)器電路的選擇將需要一個(gè)可變的dc驅(qū)動(dòng)電平，以控制驅(qū)動(dòng)器的輸出電流。因此，單片機(jī)必須有某種數(shù)模轉(zhuǎn)換（dac）外設(shè)來(lái)控制驅(qū)動(dòng)器。

產(chǎn)生dc驅(qū)動(dòng)電平的方法之一是在單片機(jī)的控制下建立一個(gè)pwm信號(hào)，然后該信號(hào)通過(guò)一個(gè)外部低通rc濾波器進(jìn)行過(guò)濾，以形成dc電壓。驅(qū)動(dòng)電平pwm信號(hào)可以由一個(gè)片上pwm外設(shè)或軟件產(chǎn)生，而且由于驅(qū)動(dòng)電平pwm只能產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的控制電壓，而不是實(shí)際的驅(qū)動(dòng)器pwm，所以它可以在非常低的頻率下工作。不過(guò)，值得注意的是，驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)時(shí)間取決于第二個(gè)pwm rc濾波器的響應(yīng)時(shí)間。

還有一種方法是用dac或數(shù)字電位計(jì)直接建立驅(qū)動(dòng)電平。這兩種器件都可以通過(guò)直接改變基準(zhǔn)電壓來(lái)產(chǎn)生輸出電壓。由于不需要外部濾波器，這些器件的響應(yīng)時(shí)間不會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)器電路的響應(yīng)時(shí)間造成限制。

為生成驅(qū)動(dòng)電平電壓而需要考慮的最后一個(gè)方面是：?jiǎn)纹瑱C(jī)的電源電壓的變化對(duì)驅(qū)動(dòng)電平電壓的影響。如果為生成驅(qū)動(dòng)電平電壓所選的方法是通過(guò)改變單片機(jī)的電源電壓來(lái)產(chǎn)生其輸出電壓，而且，單片機(jī)是直接由電池供電的，那么，當(dāng)供給單片機(jī)的電池電壓下降時(shí)，驅(qū)動(dòng)電平輸出就可能下降。如果發(fā)生了這個(gè)問(wèn)題，只要增加一個(gè)測(cè)量電池電壓的電路，即可利用軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)電平進(jìn)行補(bǔ)償。

溫度監(jiān)控

在選擇好驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之后，設(shè)計(jì)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(jī)將需要一個(gè)連接傳感器的適當(dāng)外設(shè)。

單片機(jī)的選擇

一旦決定了驅(qū)動(dòng)電路和溫度監(jiān)視器接口，就該選擇適當(dāng)?shù)膯纹瑱C(jī)了，即：

加入所有輸入和輸出的外設(shè)要 求；

根據(jù)所使用的單片機(jī)制造商的外

設(shè)組合對(duì)外設(shè)要求進(jìn)行匹配；

如果單片機(jī)上沒(méi)有所需的外設(shè)，

單片機(jī)就需要有適當(dāng)?shù)耐ㄐ磐庠O(shè)

(如i2c 、spi或相應(yīng)的軟件)與外

部外設(shè)進(jìn)行通信。

表2、表3、表4匯集了所有可能使用的驅(qū)動(dòng)器、各種溫度傳感器以及與控制電路有關(guān)的其他方面對(duì)外設(shè)的要求。

選擇單片機(jī)驅(qū)動(dòng)新型大功率led不再是一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)。適當(dāng)?shù)耐庠O(shè)組合取決于多個(gè)因素，諸如成本、尺寸、驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電池監(jiān)控、溫度感應(yīng)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(dāng)。而且，利用一種有機(jī)的方法和前瞻性計(jì)劃，為驅(qū)動(dòng)大功率led選擇合適的單片機(jī)并非高不可攀。