如何應對新型大功率LED的設計挑戰
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簡介
數十年來，不起眼的發光二極管（led）已經在眾多應用中得以廣泛采納，設計人員對其設計要求非常熟悉，以至于大多數人都不太會對它們進行深入的思考。不過，一種新型的大功率led正在崛起，而最新的技術進步已把人們的目光再次聚焦于這一不起眼的發光二極管身上。
新一代的1w、3w和5wled的輸出是標準led輸出的10～50倍，這使得在利用這些新型led進行設計時要面臨很多設計挑戰，而且選擇合適的單片機驅動新型led也不再是一項簡單的任務。
為了說明更高的驅動電平需求，表1列出了3種不同大功率led的典型驅動電流和電壓。
驅動器、電壓基準、電池檢測和溫度監控都有多種選擇，而適當的外設組合又取決于多種因素。
輸出功率的增加勢必提高了對led的驅動要求。為了得到足夠的亮度，一個5w的led要求7v時驅動電流達到0.7a。這比要求1.4vdc時驅動電流僅要20ma的標準led要高多了。
目前，二極管的冷卻是機械設計和電路板布局需要考慮的主要問題。管芯溫度也會影響器件的輸出亮度，因為當器件從環境溫度升到120℃時，亮度就會下降多達35%。led的管芯溫度也會影響器件的發光波長，在100℃的溫度變化下波長幾乎可以改變4~9nm。
為了滿足這些特殊要求，需要某種形式的功率調節為新型led供電并進行監控。此外，如果led需要根據用戶輸入或其他外部輸入閃爍或暗淡下去，它們還需要一個小型單片機來控制功率電路。首先需要做的是決定哪一種驅動器拓撲結構最合適，然后確定哪一個單片機擁有合適的外設。
線性驅動器
與任何其他大功率驅動器相比，大功率led驅動器設計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動器涉及潛在高溫，高效性就成為了關注的焦點。
大多數不同的拓撲結構主要分為兩類 線性式和開關式。雖然線性式具有簡單的優點，但開關式的效率更高。需要評估線性式驅動器拓撲結構和若干開關式驅動器拓撲結構的變體，以決定需要哪些外設。
通常，一個線性灌電流式驅動器由一個運算放大器、一個功率晶體管和一個電流感應電阻器組成（見圖1）。從圖1中可以看到，線性驅動器需要的外設最少，是一個簡單電路。其僅有的元件就是運算放大器、mosfet和感應電阻器。
線性驅動器的不足之處是效率低下。如果這個驅動器電路有足夠大的散熱器，那么這就不會是問題，而可以使用線性驅動器。然而，在大多數情況下，由于傳輸晶體管的功耗問題，很少會在這種應用中采用線性驅動器。
開關式電源驅動器
開關式電源(smps)驅動器旨在通過一個電感器將能量從電源傳給負載。通常是用一個pwm控制信號對mosfet晶體管進行導通/關斷來實現的。
通過改變pwm的占空比和電感器的充放電時間，可以對輸入電壓與輸出的比率進行調節。反饋電路可對輸出電壓進行監控，并對充電和放電占空比進行適當的調節，以保持恒定的輸出電壓。為了滿足led的電流控制要求，因為反饋源是唯一需要進行改變的內容，所以可以對led的電流進行微小的更改，而不是更改輸出電壓。
某些smps驅動器的不同變體可能采用不同類型的smps驅動器。一個典型的smps驅動器可使用一個外部輸出電壓可調的開關穩壓器芯片來建立驅動器電流輸出（見圖2）。
增加運算放大器可將電流感應電壓提升到開關穩壓器芯片的內部基準電壓。不過，由于穩壓器芯片的內部基準電壓是固定的，改變輸出電流的唯一方法是改變電阻器r1和r2的比值。
另一個例子使用了一個可編程開關式控制器（psmc）外設作為pwm開關控制。這個外設類似于一個獨立的開關式電源驅動器，其不同之處是：它是由相連的單片機控制的，其基準電壓可以從外部電源獲得，以簡化亮度控制（見圖3）。
第三種選擇是將反饋路徑變為軟件。在這個驅動器中，電流反饋由adc進行數字化，適當地修改pwm值，而新的pwm開關信號是由一個硬件pwm外設產生的（見圖4）。
第四種也是最后一種值得考慮的驅動器，它是一個簡單的變頻開關式驅動器，基于一個配置成多諧振蕩器的電壓比較器。在這個拓撲結構中，反饋和pwm的生成都是由單個比較器電路實現的。該電路可對pwm定時進行轉換，以使平均電流等于驅動電平輸入（見圖5）。
驅動電平電壓的生成
除了兩種例外情況，驅動器電路的選擇將需要一個可變的dc驅動電平，以控制驅動器的輸出電流。因此，單片機必須有某種數模轉換（dac）外設來控制驅動器。
產生dc驅動電平的方法之一是在單片機的控制下建立一個pwm信號，然后該信號通過一個外部低通rc濾波器進行過濾，以形成dc電壓。驅動電平pwm信號可以由一個片上pwm外設或軟件產生，而且由于驅動電平pwm只能產生一個驅動器的控制電壓，而不是實際的驅動器pwm，所以它可以在非常低的頻率下工作。不過，值得注意的是，驅動器的響應時間取決于第二個pwm rc濾波器的響應時間。
還有一種方法是用dac或數字電位計直接建立驅動電平。這兩種器件都可以通過直接改變基準電壓來產生輸出電壓。由于不需要外部濾波器，這些器件的響應時間不會對驅動器電路的響應時間造成限制。
為生成驅動電平電壓而需要考慮的最后一個方面是：單片機的電源電壓的變化對驅動電平電壓的影響。如果為生成驅動電平電壓所選的方法是通過改變單片機的電源電壓來產生其輸出電壓，而且，單片機是直接由電池供電的，那么，當供給單片機的電池電壓下降時，驅動電平輸出就可能下降。如果發生了這個問題，只要增加一個測量電池電壓的電路，即可利用軟件對驅動電平進行補償。
溫度監控
在選擇好驅動器拓撲結構之后，設計剩下的唯一接口要求是監控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。單片機將需要一個連接傳感器的適當外設。
單片機的選擇
一旦決定了驅動電路和溫度監視器接口，就該選擇適當的單片機了，即：
加入所有輸入和輸出的外設要 求；
根據所使用的單片機制造商的外
設組合對外設要求進行匹配；
如果單片機上沒有所需的外設，
單片機就需要有適當的通信外設
(如i2c 、spi或相應的軟件)與外
部外設進行通信。
表2、表3、表4匯集了所有可能使用的驅動器、各種溫度傳感器以及與控制電路有關的其他方面對外設的要求。
結論
選擇單片機驅動新型大功率led不再是一個簡單的任務。適當的外設組合取決于多個因素，諸如成本、尺寸、驅動器拓撲結構、電池監控、溫度感應以及所有其他所需的輸入/輸出等。此外，某些傳統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。而且，利用一種有機的方法和前瞻性計劃，為驅動大功率led選擇合適的單片機并非高不可攀。
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