基于微控制器的LED驅動器拓撲、權衡和局限

　　4、采用高端開關

　　除了負載和晶體管交換位置，這個電路與前面的完全相同。圖2E中顯示的開關就位于“高端”。我們還把FET從N通道變成P通道。N通道FET要求VGS>5V以完全導通：在本拓撲中，N通道的源極電壓會不斷變化，而且經常在3伏以上，所以在門極上至少需要8伏的電壓。這就需要一個類似充電泵的門驅動電路，使得整個電路有點更加復雜。如果就用一個P通道FET，而且又可以直接從微控制器的輸出端為它提供-5V的VGS，那就簡單多了。這種拓撲類似于降壓轉換器的前端。

　　它的主要優勢是能直接在R的兩端進行電流測量，因此不再需要差分測量的方法。

　　亮度調節技術

　　有很多技術都可以對LED進行亮度調節，其中不少是專利技術。這里對其中幾種進行簡要介紹。在所有方法中，平均發光度都是通過以非常快的速度(避免閃爍)完全點亮(以其標稱電流)再關閉LED獲得的，而且與LED點亮時間的百分比成正比。

　　1、脈寬調制

　　這種技術采用周期為T的固定頻率，如圖4所示。亮度的調節通過改變脈沖寬度來實現。圖4顯示了三種不同的發光度級別，其占空比分別是6%、50%和94%。

　　2、頻率調制

　　這種技術由Artistic Licence公布，它采用固定寬度控制脈沖的概念，如圖5所示。脈沖A總是相同的寬度，發光度由脈沖A的重復間隔來控制。

　　3、位角調制

　　這是一項由Artistic Licence發明的新技術，它基于一串包含發光強度的二進制脈沖列。脈沖列中的每一位都按其位值的比例延展。如果最低位b0的持續時間為1，那么b1位的持續時間就為2，相應地，b2至b7位的持續時間就分別為4、8、16、32、64和128，如圖6所示。

　　通信協議

　　1、DMX512

　　DMX512是由U.S.I.T.T(美國劇場技術研究所)公布的一項標準。該協議最初用來控制照明調光器，現在已經延伸到控制燈具移動、幻燈片放映機和很多其它照明設施。DMX512運行在EIA-485標準上。數據在8位異步串行通信的基礎上進行傳輸，1個開始位、2個停止位，且無奇偶校驗。它具有256個亮度調節級別。

　　2、DALI (數字尋址照明接口)

　　DALI是為電子鎮流器的通信所開發的一種標準，它作為附錄包含在ECG標準IEC 929中。DALI被設計用于標準組件和簡單布線，即低成本應用。

　　應用領域可能是調節燈光和預置不同照明環境的數值、根據日照的方向和節能因素等適當調節燈光設置。

　　DALI的基礎是主-從原則：用戶通過控制器(主機)對系統進行操作，控制器向所有鎮流器(從機)發送包含地址和命令的消息。地址決定著鎮流器是否應該聽從指示。每個鎮流器都是數字尋址的，因此它對電磁噪聲并不敏感(優于模擬1-10伏調光器開關系統)。

　　3、ZigBee

　　Zigbee是由Home RF lite和IEEE 802.15.4規格結合而成的通信協議。Zigbee運行在2.4GHz和868/915MHz ISM波段內。由于它能以較低的成本得到低功耗，照明應用成為其主要市場之一。Zigbee提供的網絡功能在照明系統中也非常有用，而且它還具有無線控制的優勢。

　　采用微控制器的局限

　　1、電壓和電流

　　如果VDD是LED和微控制器的共同電源，那么此電壓就只能驅動一個LED。我們已經討論過的簡單拓撲不允許LED電壓高于VDD，請參見圖2和圖7。若串聯使用LED，則所有的LED有相同的電流，這是一個優點，但VDD必須更高，而且微控制器需要一個單獨的電源。

　　2、支持通信的物理接口

　　微控制器只提供簡單的同步(SPI)或異步(SCI)通信。要想實施DALI、DMX、LIN通信協議等，它還需要額外的硬件和軟件。

　　3、恒流調節和開關速度

　　本應用中的關鍵參數就是開關速度。開關速度越慢，電感器越大，成本也就越高。大多數微控制器都可以在大約15微秒內完成A/D轉換。加上一些比較讀數和內部閾值的指令，現在，我們可以說一個完整的開關周期為30至40微秒，再加上15微秒的不確定時間。這個誤差定義了圖8中所示的最小電感值。另外一個方案就是任意設置導通和關斷的持續時間，然后根據實際情況重新調節這些值，去嘗試并達到兩個電流閾值。這種間接方案允許采用更小、成本更低的電感器，但是準確度較差。

　　4、調光和調制速度

　　在100%的發光度上無需調制晶體管。在另外一個極端，對最低的發光度級別(如1%)來說，需要將晶體管開啟1%的時間。假設亮度調節必須在100 Hz或更高的頻率上完成，以避免閃爍現象，則PWM頻率必須是10 kHz或更高。但是肉眼在低發光度區間可以分辨出細微的變化，因此100級是遠遠不夠的。如果需要4000級(12位分辨率)，則PWM的頻率必須達到400 kHz以上，這對一個簡單微控制器來說幾乎是不可能的。

　　未來展望

　　現在，我們已經看到設計一個基于微控制器的高亮度LED驅動器是多么簡單。三個主要的局限在于處理速度和電感器的大小及調光分辨率的影響、具有行業標準的通信功能，以及對多輸出和/或LED串的驅動能力。