使用混合信号 MCU 为 LED 提供升降压

    近年来，发光二极管 (LED) 作为可行的光源出现，不再仅用作电子设备的状态指示灯。技术进步提供的 LED 的效率通常是白炽灯泡的三倍。LED 还非常耐用，使用寿命超过数万小时。
    用于照明应用的功率 LED 设计为由恒流源驱动。在不同的 LED 制造商中，通常会看到 350mA 和 700mA 的标准电流驱动水平。
    然而，LED 两端的正向电压会根据串联结的类型和数量而变化。许多功率 LED 制造商将提供多个结，集成到单个模块中。
    可用于驱动 LED 的一种简单方法是串联安装电阻器以限制电流。线性稳压器或运算放大器 (op-amp)电路也可以连接成恒流配置。然而，这些线性方法在所需的功率水平下效率不够。

    开关模式电源(SMPS) 为驱动 LED 提供了更高效的解决方案。SMPS 可以将输入电压降压或升压到正确的水平，以提供所需的 LED 电流。系统输入电压范围和所需的 LED 正向电压将决定所选的SMPS拓扑。

    图 1：降压-升压转换器拓扑
    降压-升压转换器
    当电源电压可能高于或低于所需的输出电压时，使用降压-升压转换器拓扑，对电池应用特别有用。这种拓扑结构也称为反激式或反相稳压器。降压-升压转换器可以如上图 1 所示实施。
    这种实现的优点是可以使用简单的低侧 MOSFET驱动器电路。图 1 所示的拓扑将产生一个正电压，以输入电压轨为参考。这种降压-升压实现的缺点是负载不以电路接地为参考。

    LED 驱动器的简化电路设计如下图 2所示，它使用混合信号、高压 8 位微控制器，例如 MicrochipTechnology 的 PIC16HV785。电路的输出以电池电压为参考，而不是接地。逆变器的输出连接到 LED 阳极并产生大于输入电压的电压。

    图 2：使用 PIC16HV785 微控制器的简化 LED 驱动器电路。
    PIC16HV785 混合信号微控制器结合了一个 8 位微控制器内核和多个片上模拟外设。其中包括一个高速、两相 PWM 电路，非常适合开关模式电源的电流模式控制，以及两个可用于放大电流检测电阻两端电压的片上运算放大器。
    这允许使用非常小的感测电阻器，从而减少电路损耗并提高整体效率。片上高压并联稳压器消除了在更高电源电压下运行时对外部 5V 稳压器的需要。
    PIC16HV785 还集成了一个数字捕获、比较和 PWM (CCP) 模块、两个模拟比较器、一个 10 位 A/D 转换器、一个 8MHz 内部时钟电路、内部精密电压基准和一个可编程欠压复位 (BOR) 电路。运算放大器和比较器的所有引脚均可从外部访问，因此可以实现任何电路配置。
    电流检测运算放大器作为差分放大器连接，以准确测量电流检测电阻两端的电压。电流在电源回路中测量，以简化电路的要求。R1、R2 和 C1 构成低通滤波器，以降低可能存在的任何开关噪声。该滤波器的截止频率必须选择在转换器开关频率之上，以避免限制控制环路响应。
    模拟风格模块
    两相 PWM 模块、一个内部比较器和一个电压参考构成了调节 LED 电流量的电路。两相 PWM 是一种模拟式模块，其工作原理是复位/复位。
    首先，来自系统时钟的时钟信号用于定期打开 PWM 输出。PWM 时钟信号设置基本 PWM 频率。然后，当达到指定的参考电平时，来自片上比较器之一的复位信号会关闭 PWM 输出。
    放大的电流信号在内部路由到 PIC16HV785 上比较器 1 的正输入。PIC16HV785 上的捕捉比较外设 (CCP1) 在 PWM 模式下用于为比较器生成参考电压。使用 PWM 可以精细控制比较器参考电压。PWM 信号通过 RC 滤波器进行滤波以产生模拟电压，并连接到负比较器输入引脚。
    此应用的软件非常简单，因为 LED 电流控制功能是在模拟域中完成的。在启用所有外设并设置电流参考电平后，LED 将继续点亮，无需软件干预。
    然而，应用程序代码可以使用片上 10 位 A/D 转换器来测量电源电压，然后以恒功率模式驱动 LED。随着电池输入电压的变化，D/A 电路（使用 CCP 外设实现）会产生一个新的电压参考值，以提供所需的补偿。
    设置 LED 亮度
    由于微控制器内核仅在功率调节过程中花费一小部分时间，因此可以将更多时间用于用户界面和提供附加功能，例如电池状态监控和亮度级别控制。使用该电路和软件可以通过两种方式调整 LED 光亮度。
    种技术依赖于 LED 的亮度会随着驱动电流而变化的原理。事实上，使用这种方法可以实现对 LED 亮度的近似线性控制。然而，可变电流调光并不是设置 LED 亮度级别的有效方式。LED 在制造商指定的驱动电流水平下达到效率。
    60Hz 和 1kHz 之间的低频 PWM 信号可用于调制 LED 驱动电流。LED 在开启期间始终以电流驱动，而不是降低电流驱动电平。PWM 信号的占空比设置 LED 通电的平均时间量。
    所选 PWM 频率应足够高，以便 LED 电流以不会导致人眼检测到闪烁的速率打开和关闭。PWM 频率也必须足够低，以便电流调节电路有足够的时间在 PWM 导通期间稳定下来。如果满足这些条件，人眼将随时间对 LED 的光输出进行平均。
    PIC16HV785 包含实现高效大功率 LED 驱动电路所需的所有组件。它可以很容易地配置为升压操作或降压-升压操作，具体取决于输入电压范围。
    该应用程序仅使用了微控制器的一小部分RAM和闪存，为其他应用程序代码留出了足够的空间。如果 PIC16HV785 微控制器上有足够多的未使用外设，还可以实现第二个 LED 驱动器、电池充电器或其他开关模式电路。