固态照明正敏捷成为机电工程与设计领域的热门之一。LED实现了机动性与高效性的联合，这是传统照明技巧无奈比较的。LED可以长时间提供稳固牢靠的照明，而且采用小型封装，因此正在建造和舞台照明利用范畴得到普遍采用。然而，每种不同的照明运用都有其奇特性，不同的市场范畴需要具备不同特性的产品。因此，市场中集成电路的专业化趋势一直增强，也导致原来已经品种繁多的产品型号变得更加丰硕多彩。可编程混合信号微控制器正得到疾速采用太阳能路灯，因为单个微控制器能集成脉宽调制器(PWM)、通信接口、放大器、比较器及数据转换器等多种外设。

 

通过将上述外设的完美组合，可实现对功能丰盛而强盛的可调光降压转换器等器件的控制。用于LED驱动器利用的降压转换器应为电流模式调节器，由于LED是电流模式器件。我们从LEDV-I曲线能够看出，正向电压稍有变更，就会对电流发生较大影响。因而，任何LED驱动器电路的反馈都应视为电流。此外，我们应应用恒定电流，由于制作商会依据正向电流电平设定LED的色彩与强度。上述特征相称主要，因为我们要通过有关特征值来确保系统合乎整体标准的请求。

 

图1给出了典范的LED系统，包含通讯接口、不同色彩的LED(每种颜色都代表一个通道)、智能化功能以及每个通道的恒定电流驱动器。通讯接口可认为DMX512或DALI，这是两种尺度的照明协定，此外也可认为ZigBee或无线USB接口。智能化功能可通过内置模数转换器(ADC)与LED调光外设的微控制器实现。ADC用于监控温度与LED电流等系统变量，实现系统监控与色彩混合义务。驱动器为通道中的每个LED供给恒定电流。驱动器的庞杂性与品质决议了驱动器的价钱。

 

图1：典范的LED系统方框图。

 

磁滞降压控制器

 

在微掌握器上集成LED驱动器有助于减小整系统统解决方案的尺寸。当初，简直不什么解决计划将开关模式电源(SMPS)这样的高功率元件与微把持器的智能化功效完善联合在一起。退而求其次，就是将SMPS的反馈与把持电路完善集成在微节制器中。如图1所示，CY8CLED16EZ-Color器件正好具备上述功效所需的模仿电路。在该设计计划中，SMPS拓扑为电流模式可控磁滞降压转换器架构(见图2)太阳能路灯。

 

 

 

 

图4：降压转换器的充电阶段(图a)与放电阶段(图b)。

 

转换器启动落后入充电阶段，直至电感器电流到达ITH_HIGH阈值。电流到达阈值所需的时间称作回升时间(trise)，trise取决于输入电压与电感器电流值：

 

其中，VF为串联LED的正向电压。

 

因为上述方程式的分母是电感值，因此上升时间与电感值成正比例。缩短上升时间对调光无比主要，因为减小脉冲宽度有利于应用较高分辩率的调制器，但这并不是使用较小电感值的独一起因。低值电感器(存在相称高的额外电流)从物理上说比高值电感器的体积更小，成本更低，统一尺寸封装的低值电感器比高值电感器支持的电流更高。

 

平均电流误差

 

图3显示了LED电流的幻想波形，但没斟酌比较器的响应时光(tr)。比较器的响应时间(tr)是指输出电压针对输入电压超过DAC参考电压转变状况所需的时间。假如将这个因素斟酌在内，就会影响LED电流的过冲、纹波及均匀值。均匀电流误差要归因于比较器限定的响应时间以及电感波形的坡形不均衡引起的。请留神，在图3中，充电坡度比放电坡度更陡一些，这是因为输入电压大大高于LED正向电压而引起的。因为充电斜率大于放电斜率，因而比较器响应时光发生的平均电流也将大于图5所示的冀望值。

图2：磁滞控制器。

 

启动时，通过电感的电流开端回升，直至比拟器正输入的电压大于比拟器负输入的电压。随后，转换器将作为自在运行的振荡器，电流会在两个层面间充电跟放电。

 

ITH_HIGH与ITH_LOW的大小可由并联电阻、RIN与RHYST反馈电阻以及DAC输出电压通过下列等式盘算得出。我们可以看到，RHYST值越大，ITH_HIGH与ITH_LOW的差就越小LED路灯。

 

 

 

 

合上PFET将启动充电进程(如图4a所示)，电感器开始充电。比较器可通过测量并联电阻电压来监控电感器电流。当电流达到阈值ITH_HIGH时，就开端进入放电进程(如图4b所示)。在放电阶段，电流畅过续流二极管放电。续流二极管维护电路元件免受电感反冲的影响，并且坚持LED处于打开状况。LED中的电流超过ITH_LOW阈值后，充电过程再次开始。

 

 

图3：幻想的LED电流波形。

 

 

 

图5：电流误差详图。

 

 

实际峰值电流即是峰值电流阈值与峰值电流误差之跟，而谷值电流则即是谷值电流阈值与谷值电流误差之和(如下列方程式所示)。除了比较器的响应时间外，我们从峰值电流盘算式中还可看出，输入电压、电感值与LED正向电压都会影响峰值电流误差。我们从谷值电流算式中则可以看出，正向电压会影响谷值电流误差。

 

 

 

其中，VD为续流二极管的正向电压。

 

我们可依据电感容差与LED正向电压的差值计算出电流误差。然而，如果我们的系统采用了具备8:1模拟乘法器与可编程增益放大器的积分型模数转换器，那么我们也可用该转换器来丈量电流误差。我们通过校订算法来丈量并处置电流误差，随后再转变DAC的输出电压来设置新的阈值。

 

 

 

 

图7：电平转换器详图。

 

利用软件工具实现更简化的解决方案

 

 

图8：单通道的模仿模块布局。

 

磁滞降压转换器要采用EZ-Color，须要将用户模块嵌入到PSoCDesigner中，以便在芯片的模拟段与数字段之间进行切换。如图8所示，比较器用户模块放在持续时间模块中，9位DAC放在两个开关电容模拟块间LED灯具，提供其负输入。比较器的正输入通过4:1的多路复用器路由，输前途由至比较器数字总线，再经由反相，对消电平转换器电路的反相区(如图8所示)。比较器数字总线发送数字信号至芯片的数字段，也是数字信号走线的处所(如图9所示)。

图6：支持平均电流误差校订的磁滞控制器。

 

电平转换电路

 

如图7所示，当栅极Q1的逻辑电平为高时LED路灯，栅极Q3通过火压器翻开；栅极Q4短接至VIN将封闭栅极Q3。当栅极Q1的逻辑电平为低时，分压器中无电流畅过，将栅极Q2衔接至VIN，此时栅极Q4短接至地面，并翻开PFET。这样，输入为高时路灯路灯，开关封闭，输入为低时，开关打开，这就阐明了EZ-Color器件内置比较器的输出为什么会呈现反相区。只有输入电压不超过晶体管Q2与Q4的VGS(MAX)值，如图7所示的电平转换电路就能畸形工作。假如咱们从VIN到源极Q2之间增添齐纳二极管与电容器，再在齐纳二极管的阳极至接地之间采取偏置电路，那么该电路就可实用于较大的输入范畴。

 

 

图9：单通道的数字模块布局。

以上各图显示了如何配置EZ-Color模拟与数字模块，以实行降压转换器。COMP_BUF模块路由比较器总线到数字段，随后它可路由到电源电路系统，不外不是直接路由到控制电路，而是与16位PWM数字模块的输出做AND操作，从而实现调光功能。图8和图9中的3个地位样本可放置在CY8CLED16部件上，从而实现3通道可调光输出的复合系统。

 

应用3个降压转换器，每个通道都能通过高精度照明信号调制(PrISM)调光，或应用PWM太阳能路灯价格，咱们就能掌握3通道LED体系的颜色。用8位微节制器实现色彩混杂相称庞杂，不外有些集成电路公司尝试了这种做法并获得了胜利。PSoCExpress等软件工具具备预编写、预验证的颜色混杂代码，使开发照明设计变得极其简略。PSoCExpress是一款支撑用户界面功能的设计创立工具，也支撑体系外设编码，能够通过拖放实现工作，并在GUI环境中衔接至驱动程序。所天生的名目文件兼容于所有赛普拉斯的EZ-Color器件。

 

应当采用哪种调光辨别率？

 

你可能已经留神到了，本名目中采用了16位分辨率调光，之所以这样做，是因为在光照强度较低的情形下，我们需要16位来保持高精度的色彩控制。如果强度为100%，那么准确匹配就仅须要8位的辨别率，如强度为1%，则分辩率应为14.6位。EZ-Color中，16位分辨率的PWM调光频率为732Hz，远远高于肉眼所能看到的频率。PWM模块时钟频率设定为48MHz，就能取得这种调光频率。

 

本文小结

 

我们采用赛普拉斯的EZ-Color等混合信号微控制器控制LED照明系统，因为这种微控制器集成了ASIC实行所需的大局部功能。通过采取磁滞降压转换器，EZ-Color能供给低本钱的SMPS拓扑，可用恒定电流驱动LED。集成式混合信号解决方案十分合适照明设计，不仅能下降元件本钱，而且还能缩短设计周期。赛普拉斯的EZ-Color集成了SMPS控制、智能化色彩混合功能与DMX512接口，使其成为多种LED照明运用设计的便捷抉择。

赛普拉斯半导体 | Patrick Prendergast