作者：Brett Larimore， Daniel Chang， Patrick Carner

? ? ? 隨著 LED 技術(shù)的不斷發(fā)展，提高電源效率和節(jié)省成本成為可能，導致 LED 的使用方式增加。與此同時，系統(tǒng)正在使用更多種類的 LED，每個 LED 都需要以不同的方式驅(qū)動，以實現(xiàn)最佳性能、效率和色彩準確度。例如，汽車系統(tǒng)使用 LED 實現(xiàn)多種功能——包括前照燈、遠光燈、霧燈、轉(zhuǎn)向燈等——每一種都需要不同類型的 LED 和/或不同數(shù)量的 LED。

　　開發(fā)人員可以使用不同的功率級拓撲和控制方法來驅(qū)動多個 LED 燈串。每種拓撲和控制方法都有其自身的優(yōu)勢，具體取決于應(yīng)用。TI 展示了兩種常見 LED 照明設(shè)計實施的實施，提供了兩種基于其實時控制 C2000 Piccolo? 架構(gòu)的 LED 照明開發(fā)套件——DC/DC LED 照明開發(fā)套件和多 DC/DC 彩色 LED 開發(fā)套件。結(jié)合 TI 行業(yè)領(lǐng)先的開發(fā)軟件和工具，工程師可以使用這些套件來加速各種照明應(yīng)用的開發(fā)。

　　功率級拓撲和控制方法

　　LED 照明行業(yè)中使用了幾種常見的功率級設(shè)計拓撲和數(shù)字控制方法。每種設(shè)計實現(xiàn)和控制方法都有其獨特的優(yōu)勢和考慮因素。TI 通過其 C2000 LED 照明開發(fā)套件展示了其中兩種功率級設(shè)計拓撲和兩種隨附的控制方法。

　　圖 1 顯示了 DC/DC LED 照明開發(fā)人員套件中使用的單個共享功率級的電源拓撲。該拓撲利用 Piccolo F28035 MCU 來控制一個靈活的 SEPIC DC/DC 功率級和八個獨立的 LED 調(diào)光級，用于控制相同類型和相同長度的 LED 燈串。SEPIC 是一種動態(tài)拓撲，它可以在高壓（高達 48 伏）下運行，并適當?shù)厣呋蚪档万?qū)動電壓。通過這種控制拓撲，開發(fā)人員可以精確、獨立地控制同類型/同長度的 LED 燈串的亮度和色溫。單功率級拓撲非常適合需要穩(wěn)定輸出的工業(yè)照明等應(yīng)用。

　　圖 1：使用 SEPIC DC/DC 功率級對電壓軌進行降壓或升壓。

　　另外，圖 2 顯示了用于多直流/直流彩色 LED 照明開發(fā)套件中的可變長度和 LED 類型的 LED 燈串的多功率級拓撲。此拓撲使用單個 Piccolo MCU 來控制兩個 SEPIC DC/DC 功率級和六個升壓 DC/DC 功率級，適合驅(qū)動彩色 LED。借助這種多功能拓撲，開發(fā)人員可以支持多達 8 個可變長度和類型的 LED 燈串。例如，單個 Piccolo F28027 數(shù)字 LED 控制器可以驅(qū)動多達 8 個 LED 燈串，包括由兩個白色 LED 燈串加上兩組 RGB 燈串組成的系統(tǒng)（即，每個 RGB 燈串由一個紅色、綠色和藍色 LED 燈串組成） ）。通過為每個 LED 串使用單獨的功率級，F(xiàn)28027 可以獨立控制每個 LED 串的色調(diào)和亮度。

　　圖 2：Piccolo F28027 MCU 可以驅(qū)動多達 8 個可變長度和不同 LED 類型的 LED 燈串。

　　這兩種拓撲需要不同的方法來驅(qū)動 LED 燈串。當只有一個功率級可用于驅(qū)動多個燈串時，LED“導通”電壓偏置通過功率級變化，以實現(xiàn)所需的 LED 色調(diào)和效率（參見圖 3a）。單個燈串的調(diào)光（參見圖 3b）是通過使用脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 以可變占空比來關(guān)閉和打開 LED 電流來實現(xiàn)的。

　　圖 3：使用單級驅(qū)動器控制 LED 溫度 （a） 和亮度 （b）。

　　或者，當每個燈串都有自己獨立的功率級時，使用平均電流模式控制來驅(qū)動 LED。使用這種方法，電流連續(xù)流過串中的每個 LED。不是直接改變電壓，而是改變每個功率級中的電流（參見圖 4）。調(diào)光是通過降低和提高流過 LED 的平均電流來實現(xiàn)的。通過獨立調(diào)整單獨的紅色、綠色和藍色 LED 串的電流水平來控制顏色混合。這些 LED 的整體輸出然后創(chuàng)建所需的顏色級別。通過同時調(diào)暗三個 RGB 字符串并相互結(jié)合，在改變亮度的同時保持精確的色彩控制。

　　圖 4：使用平均電流模式控制驅(qū)動多個 LED 燈串，每個燈串都有自己的獨立功率級。

　　驅(qū)動多個 LED 燈串

　　在決定使用共享功率級還是多個獨立功率級時，需要考慮許多設(shè)計因素。LED 輸出由施加在 LED 串上的電壓和電流決定，有幾個因素會影響特定 LED 串所需的最佳驅(qū)動電平：

　　LED 類型：每種類型的 LED（例如 350 mA 或一安培 LED）有自己的亮度/電壓曲線，開發(fā)人員需要將其考慮在內(nèi)以準確管理亮度。即使額定電流相同，不同制造商制造的 LED 也可能具有不同的曲線。

　　字符串長度：具有不同數(shù)量 LED 的兩個燈串，即使 LED 屬于同一類型且來自同一箱，也具有不同的驅(qū)動要求。

　　LED 顏色：對于使用紅色、綠色和藍色 LED 三元組混合顏色的應(yīng)用，每種不同顏色的 LED 都有自己的最佳工作電壓。

　　LED 變化：制造過程可能導致 LED 之間的變化。可以高價購買輸出接近的 LED（即分檔）?；蛘?，可以動態(tài)調(diào)整串的工作電壓以補償這些變化。

　　一般來說，考慮到 LED 的數(shù)量和類型是恒定的，單一功率級拓撲可以很好地服務(wù)于僅使用單一類型 LED 的應(yīng)用，例如城市或工業(yè)照明應(yīng)用。當使用多串 LED 時，單個功率級拓撲也是整合模擬組件的絕佳方式。例如，TI 的 Piccolo LED 套件中使用的單個控制器可以有效地管理相同 LED 類型的八個獨立燈串。

　　另一方面，許多應(yīng)用可能會受益于具有多個獨立 DC/DC 電源的拓撲結(jié)構(gòu)，每個電源驅(qū)動一個單獨的 LED 燈串。當系統(tǒng)中的 LED 燈串在長度或 LED 類型上不同時，例如，從單個功率級工作需要調(diào)整驅(qū)動電壓以匹配每個燈串規(guī)格。為特定串降低此電壓可能會降低其他串的電源效率或?qū)е骂伾刂撇焕硐搿?/p>

　　此外，當每個 LED 串需要精確的工作值時，無論這些值是亮度、色調(diào)還是其他測量值，為每個 LED 串使用單獨和獨立的 DC/DC 級可能會很有用。通過單獨的 DC/DC 級為每個燈串提供單獨的電壓，可以讓開發(fā)人員進一步控制每個 LED 燈串的工作效率和光輸出精度。通過這種設(shè)計拓撲，每個 DC/DC 級驅(qū)動不同類型和長度的 LED 燈串，為 LED 照明設(shè)計提供了極大的靈活性。

　　準確的顏色混合

　　顏色精度的價值因應(yīng)用而異。如果駕駛員可以根據(jù)喜好調(diào)整顏色，那么車內(nèi)環(huán)境照明的準確性可能并不重要。但是，如果照明需要反映特定顏色，則準確性非常重要。即使只使用白色 LED，準確性也很重要。例如，氙氣大燈可能太黃或太紫。這種不準確不僅是不可取的（例如，紫色的前燈會分散其他駕駛員的注意力）；它們會對產(chǎn)品壽命產(chǎn)生負面影響。

　　是否使用單個或多個功率級拓撲結(jié)構(gòu)的決定也可能受到維護和風險考慮的影響。例如，在鎮(zhèn)流器中替換熒光燈的簡單照明應(yīng)用使用完全相同的光模塊。使用單個功率級可能有助于降低維護成本；由于功率級電路將位于主控制器中，因此每個燈模塊主要由外殼和 LED 組成。然而，單個功率級對于與其連接的許多光模塊來說也是一個單點故障。或者，需要高可靠性的系統(tǒng)可能依賴于多功率級拓撲，因為故障可能僅禁用單個照明模塊。然而，

　　簡化功率級設(shè)計

　　功率級設(shè)計是一個使用 TI 參考設(shè)計和軟件工具的相對簡單的過程。TI 提供了參考設(shè)計，開發(fā)人員可以對其進行修改，以針對特定 LED 類型和串中使用的 LED 數(shù)量優(yōu)化功率級。開發(fā)人員可以通過提供正在使用的 LED 的亮度/電壓曲線并讓控制器使用高精度 ADC 感應(yīng)電流和電壓水平來進一步調(diào)整參數(shù)，從而創(chuàng)建一個微調(diào)的功率級。此外，Mathworks 的工具、Powersim 的 PSIM? 和 VisSim 的 Embedded Controls Developer? 都支持 Piccolo 架構(gòu)并簡化了功率級設(shè)計。

　　除了 TI 的 Code Composer Studio? 集成開發(fā)環(huán)境之外，開發(fā)人員還可以訪問 controlSUITE? 軟件，這是一個全面的可用于生產(chǎn)的控制軟件集合。controlSUITE 軟件提供了廣泛的功能，提供了示例項目，這些項目提供了完整照明應(yīng)用所需的大部分基本代碼，包括 DC/DC 電源和 LED 驅(qū)動器級的閉環(huán)控制。對于不熟悉 LED 設(shè)計的開發(fā)人員，示例項目大大降低了 LED 學習曲線。

　　數(shù)字 LED 控制的優(yōu)勢

　　TI 的 Piccolo MCU 架構(gòu)非常適合 LED 應(yīng)用。除了提供靈活的 LED 驅(qū)動控制之外，Piccolo MCU 還能夠?qū)崿F(xiàn)在許多照明應(yīng)用中變得越來越重要的高級功能：

　　溫度感應(yīng)：集成 ADC 允許 Piccolo MCU 輕松監(jiān)控 LED 工作溫度。隨著溫度升高，LED 效率下降。此外，對于混色應(yīng)用，溫度也會影響 LED 顏色。借助溫度感應(yīng)，數(shù)字控制器可以通過調(diào)整 LED 驅(qū)動算法或通過激活其他系統(tǒng)組件（如風扇）來動態(tài)補償溫度變化。

　　綠色運行：系統(tǒng)可以使用各種傳感技術(shù)來實現(xiàn)更復雜的控制算法，以優(yōu)化功率利用率。例如，系統(tǒng)可以根據(jù)可用的環(huán)境光動態(tài)調(diào)整 LED 驅(qū)動電平。較低的功耗還可以減少散熱，從而降低運營成本并提高長期可靠性。

　　系統(tǒng)協(xié)調(diào)和通信：智能照明控制對于許多基于 LED 的系統(tǒng)至關(guān)重要，從閃爍的裝飾燈到激活車輛的轉(zhuǎn)彎頭燈再到高端舞臺照明。開發(fā)人員可以實現(xiàn)各種通用和特定應(yīng)用的通信通道，包括 CAN、DMX 和電力線通信 （PLC）。與 LED 的數(shù)字控制相結(jié)合，通信接口為遠程管理和廣泛的高級使用模型打開了照明系統(tǒng)。

　　可編程性：可編程架構(gòu)使開發(fā)人員能夠繼續(xù)向現(xiàn)有架構(gòu)引入新功能，而無需對系統(tǒng)硬件進行耗時且成本高昂的重新設(shè)計。當通信接口可用時，可編程性還可以實現(xiàn)簡單的現(xiàn)場升級，從而無需技術(shù)人員親自到訪即可更新系統(tǒng)。

　　顏色校正： LED 的輸出隨溫度和時間而變化。為了提供長期準確的色彩混合，基于 Piccolo 的照明系統(tǒng)可以編程以補償溫度變化并調(diào)整工作電壓以補償老化組件造成的退化。

　　高可靠性：開發(fā)人員可以引入故障檢測和警報通知等功能，以提高可靠性并降低維護費用。

　　集成功能： Piccolo 數(shù)字 LED 控制器通過集成各種應(yīng)用所需的各種片上外設(shè)來減小系統(tǒng)尺寸和復雜性。例如，高分辨率 ADC 支持電機和電源控制應(yīng)用的精確電流和電壓感應(yīng)。

　　適應(yīng)性：Piccolo 數(shù)字 LED 控制器提供足夠的性能余量，以適應(yīng)??不斷變化的市場條件、不斷變化的客戶需求和不斷發(fā)展的標準，從而使設(shè)計面向未來并保護設(shè)計投資。TI 還提供范圍不斷擴大的微控制器以滿足新興應(yīng)用的需求，因此制造商可以快速且經(jīng)濟高效地利用新機遇。

　　單功率級和多功率級拓撲提供了一種有效驅(qū)動多個 LED 燈串的有效方法。借助其 DC/DC LED 照明開發(fā)人員套件和多 DC/DC 彩色 LED 開發(fā)人員套件，TI 為開發(fā)人員提供了實施單功率級或多功率級拓撲的選項，同時展示了 LED 照明控制的各種方法。兩種方法都可用于大多數(shù)照明系統(tǒng)，但每種方法都有其優(yōu)點，具體取決于特定應(yīng)用。每個 Piccolo F2802x 系列微控制器最多可以控制八個單獨的 LED 燈串，并且根據(jù)所使用的功率級設(shè)計，每個燈串幾乎可以驅(qū)動任意數(shù)量的 LED。

　　這兩個套件都帶有一個獨立的基于 GUI 的控制應(yīng)用程序，允許開發(fā)人員試驗 LED 亮度和顏色控制，并探索 Piccolo MCU 的許多通用功能（見表 1）。開發(fā)人員可以快速評估不同的電源拓撲和控制方法，使用最合適的方法啟動開發(fā)。

　　表 1：LED 照明開發(fā)人員套件：主要特性和優(yōu)勢。

　　TI 數(shù)字 LED 控制器為不斷變化的應(yīng)用需求提供最高的靈活性和適應(yīng)性。TI 還提供范圍廣泛的模擬組件，這些組件以多年的系統(tǒng)級專業(yè)知識、全面的開發(fā)工具和廣泛的應(yīng)用軟件為后盾，為開發(fā)人員提供完整的 LED 照明解決方案。使用 Piccolo MCU，開發(fā)人員可以設(shè)計平衡產(chǎn)品價格、尺寸、復雜性、電源效率、準確性、可靠性、可維護性和性能的系統(tǒng)，以創(chuàng)建最佳系統(tǒng)。