基于微控制器的LED驱动器拓扑、权衡和局限

　　4、采用高端开关

　　除了负载和晶体管交换位置，这个电路与前面的完全相同。图2E中显示的开关就位于“高端”。我们还把FET从N通道变成P通道。N通道FET要求VGS>5V以完全导通：在本拓扑中，N通道的源极电压会不断变化，而且经常在3伏以上，所以在门极上至少需要8伏的电压。这就需要一个类似充电泵的门驱动电路，使得整个电路有点更加复杂。如果就用一个P通道FET，而且又可以直接从微控制器的输出端为它提供-5V的VGS，那就简单多了。这种拓扑类似于降压转换器的前端。

　　它的主要优势是能直接在R的两端进行电流测量，因此不再需要差分测量的方法。

　　亮度调节技术

　　有很多技术都可以对LED进行亮度调节，其中不少是专利技术。这里对其中几种进行简要介绍。在所有方法中，平均发光度都是通过以非常快的速度(避免闪烁)完全点亮(以其标称电流)再关闭LED获得的，而且与LED点亮时间的百分比成正比。

　　1、脉宽调制

　　这种技术采用周期为T的固定频率，如图4所示。亮度的调节通过改变脉冲宽度来实现。图4显示了三种不同的发光度级别，其占空比分别是6%、50%和94%。

　　2、频率调制

　　这种技术由Artistic Licence公布，它采用固定宽度控制脉冲的概念，如图5所示。脉冲A总是相同的宽度，发光度由脉冲A的重复间隔来控制。

　　3、位角调制

　　这是一项由Artistic Licence发明的新技术，它基于一串包含发光强度的二进制脉冲列。脉冲列中的每一位都按其位值的比例延展。如果最低位b0的持续时间为1，那么b1位的持续时间就为2，相应地，b2至b7位的持续时间就分别为4、8、16、32、64和128，如图6所示。

　　通信协议

　　1、DMX512

　　DMX512是由U.S.I.T.T(美国剧场技术研究所)公布的一项标准。该协议最初用来控制照明调光器，现在已经延伸到控制灯具移动、幻灯片放映机和很多其它照明设施。DMX512运行在EIA-485标准上。数据在8位异步串行通信的基础上进行传输，1个开始位、2个停止位，且无奇偶校验。它具有256个亮度调节级别。

　　2、DALI (数字寻址照明接口)

　　DALI是为电子镇流器的通信所开发的一种标准，它作为附录包含在ECG标准IEC 929中。DALI被设计用于标准组件和简单布线，即低成本应用。

　　应用领域可能是调节灯光和预置不同照明环境的数值、根据日照的方向和节能因素等适当调节灯光设置。

　　DALI的基础是主-从原则：用户通过控制器(主机)对系统进行操作，控制器向所有镇流器(从机)发送包含地址和命令的消息。地址决定着镇流器是否应该听从指示。每个镇流器都是数字寻址的，因此它对电磁噪声并不敏感(优于模拟1-10伏调光器开关系统)。

　　3、ZigBee

　　Zigbee是由Home RF lite和IEEE 802.15.4规格结合而成的通信协议。Zigbee运行在2.4GHz和868/915MHz ISM波段内。由于它能以较低的成本得到低功耗，照明应用成为其主要市场之一。Zigbee提供的网络功能在照明系统中也非常有用，而且它还具有无线控制的优势。

　　采用微控制器的局限

　　1、电压和电流

　　如果VDD是LED和微控制器的共同电源，那么此电压就只能驱动一个LED。我们已经讨论过的简单拓扑不允许LED电压高于VDD，请参见图2和图7。若串联使用LED，则所有的LED有相同的电流，这是一个优点，但VDD必须更高，而且微控制器需要一个单独的电源。

　　2、支持通信的物理接口

　　微控制器只提供简单的同步(SPI)或异步(SCI)通信。要想实施DALI、DMX、LIN通信协议等，它还需要额外的硬件和软件。

　　3、恒流调节和开关速度

　　本应用中的关键参数就是开关速度。开关速度越慢，电感器越大，成本也就越高。大多数微控制器都可以在大约15微秒内完成A/D转换。加上一些比较读数和内部阈值的指令，现在，我们可以说一个完整的开关周期为30至40微秒，再加上15微秒的不确定时间。这个误差定义了图8中所示的最小电感值。另外一个方案就是任意设置导通和关断的持续时间，然后根据实际情况重新调节这些值，去尝试并达到两个电流阈值。这种间接方案允许采用更小、成本更低的电感器，但是准确度较差。

　　4、调光和调制速度

　　在100%的发光度上无需调制晶体管。在另外一个极端，对最低的发光度级别(如1%)来说，需要将晶体管开启1%的时间。假设亮度调节必须在100 Hz或更高的频率上完成，以避免闪烁现象，则PWM频率必须是10 kHz或更高。但是肉眼在低发光度区间可以分辨出细微的变化，因此100级是远远不够的。如果需要4000级(12位分辨率)，则PWM的频率必须达到400 kHz以上，这对一个简单微控制器来说几乎是不可能的。

　　未来展望

　　现在，我们已经看到设计一个基于微控制器的高亮度LED驱动器是多么简单。三个主要的局限在于处理速度和电感器的大小及调光分辨率的影响、具有行业标准的通信功能，以及对多输出和/或LED串的驱动能力。