如何使用C2000 mcu 驅(qū)動(dòng)多個(gè) LED 燈串

　　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(dǎo)致 LED 的使用方式增加。與此同時(shí)，系統(tǒng)正在使用更多種類的 LED，每個(gè) LED 都需要以不同的方式驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)最佳性能、效率和色彩準(zhǔn)確度。例如，汽車系統(tǒng)使用 LED 實(shí)現(xiàn)多種功能——包括前照燈、遠(yuǎn)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(jí)拓?fù)浜涂刂品椒▉眚?qū)動(dòng)多個(gè) LED 燈串。每種拓?fù)浜涂刂品椒ǘ加衅渥陨淼膬?yōu)勢，具體取決于應(yīng)用。TI 展示了兩種常見 LED 照明設(shè)計(jì)實(shí)施的實(shí)施，提供了兩種基于其實(shí)時(shí)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(jí)拓?fù)浜涂刂品椒?/p>

　　LED 照明行業(yè)中使用了幾種常見的功率級(jí)設(shè)計(jì)拓?fù)浜蛿?shù)字控制方法。每種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和控制方法都有其獨(dú)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(jí)設(shè)計(jì)拓?fù)浜蛢煞N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(gè)共享功率級(jí)的電源拓?fù)?。該拓?fù)淅?Piccolo F28035 MCU 來控制一個(gè)靈活的 SEPIC DC/DC 功率級(jí)和八個(gè)獨(dú)立的 LED 調(diào)光級(jí)，用于控制相同類型和相同長度的 LED 燈串。SEPIC 是一種動(dòng)態(tài)拓?fù)?，它可以?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/873/" target="_blank">高壓（高達(dá) 48 伏）下運(yùn)行，并適當(dāng)?shù)厣呋蚪档万?qū)動(dòng)電壓。通過這種控制拓?fù)?，開發(fā)人員可以精確、獨(dú)立地控制同類型/同長度的 LED 燈串的亮度和色溫。單功率級(jí)拓?fù)浞浅＿m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(jí)對電壓軌進(jìn)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(jí)拓?fù)洹４送負(fù)涫褂脝蝹€(gè) Piccolo MCU 來控制兩個(gè) SEPIC DC/DC 功率級(jí)和六個(gè)升壓 DC/DC 功率級(jí)，適合驅(qū)動(dòng)彩色 LED。借助這種多功能拓?fù)?，開發(fā)人員可以支持多達(dá) 8 個(gè)可變長度和類型的 LED 燈串。例如，單個(gè) Piccolo F28027 數(shù)字 LED 控制器可以驅(qū)動(dòng)多達(dá) 8 個(gè) LED 燈串，包括由兩個(gè)白色 LED 燈串加上兩組 RGB 燈串組成的系統(tǒng)（即，每個(gè) RGB 燈串由一個(gè)紅色、綠色和藍(lán)色 LED 燈串組成） ）。通過為每個(gè) LED 串使用單獨(dú)的功率級(jí)，F(xiàn)28027 可以獨(dú)立控制每個(gè) LED 串的色調(diào)和亮度。

　　圖 2：Piccolo F28027 MCU 可以驅(qū)動(dòng)多達(dá) 8 個(gè)可變長度和不同 LED 類型的 LED 燈串。

　　這兩種拓?fù)湫枰煌姆椒▉眚?qū)動(dòng) LED 燈串。當(dāng)只有一個(gè)功率級(jí)可用于驅(qū)動(dòng)多個(gè)燈串時(shí)，LED“導(dǎo)通”電壓偏置通過功率級(jí)變化，以實(shí)現(xiàn)所需的 LED 色調(diào)和效率（參見圖 3a）。單個(gè)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(shí)現(xiàn)的。

　　圖 3：使用單級(jí)驅(qū)動(dòng)器控制 LED 溫度 （a） 和亮度 （b）。

　　或者，當(dāng)每個(gè)燈串都有自己獨(dú)立的功率級(jí)時(shí)，使用平均電流模式控制來驅(qū)動(dòng) LED。使用這種方法，電流連續(xù)流過串中的每個(gè) LED。不是直接改變電壓，而是改變每個(gè)功率級(jí)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(shí)現(xiàn)的。通過獨(dú)立調(diào)整單獨(dú)的紅色、綠色和藍(lán)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(jí)別。通過同時(shí)調(diào)暗三個(gè) RGB 字符串并相互結(jié)合，在改變亮度的同時(shí)保持精確的色彩控制。

　　圖 4：使用平均電流模式控制驅(qū)動(dòng)多個(gè) LED 燈串，每個(gè)燈串都有自己的獨(dú)立功率級(jí)。

　　驅(qū)動(dòng)多個(gè) LED 燈串

　　在決定使用共享功率級(jí)還是多個(gè)獨(dú)立功率級(jí)時(shí)，需要考慮許多設(shè)計(jì)因素。LED 輸出由施加在 LED 串上的電壓和電流決定，有幾個(gè)因素會(huì)影響特定 LED 串所需的最佳驅(qū)動(dòng)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(zhǔn)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(gè)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(dòng)要求。

　　LED 顏色：對于使用紅色、綠色和藍(lán)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(dǎo)致 LED 之間的變化?？梢愿邇r(jià)購買輸出接近的 LED（即分檔）?；蛘撸梢詣?dòng)態(tài)調(diào)整串的工作電壓以補(bǔ)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(jí)拓?fù)淇梢院芎玫胤?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(dāng)使用多串 LED 時(shí)，單個(gè)功率級(jí)拓?fù)湟彩钦?a href="http://srfitnesspt.com/analog/" target="_blank">模擬組件的絕佳方式。例如，TI 的 Piccolo LED 套件中使用的單個(gè)控制器可以有效地管理相同 LED 類型的八個(gè)獨(dú)立燈串。

　　另一方面，許多應(yīng)用可能會(huì)受益于具有多個(gè)獨(dú)立 DC/DC 電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)電源驅(qū)動(dòng)一個(gè)單獨(dú)的 LED 燈串。當(dāng)系統(tǒng)中的 LED 燈串在長度或 LED 類型上不同時(shí)，例如，從單個(gè)功率級(jí)工作需要調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓以匹配每個(gè)燈串規(guī)格。為特定串降低此電壓可能會(huì)降低其他串的電源效率或?qū)е骂伾刂撇焕硐搿?/p>

　　此外，當(dāng)每個(gè) LED 串需要精確的工作值時(shí)，無論這些值是亮度、色調(diào)還是其他測量值，為每個(gè) LED 串使用單獨(dú)和獨(dú)立的 DC/DC 級(jí)可能會(huì)很有用。通過單獨(dú)的 DC/DC 級(jí)為每個(gè)燈串提供單獨(dú)的電壓，可以讓開發(fā)人員進(jìn)一步控制每個(gè) LED 燈串的工作效率和光輸出精度。通過這種設(shè)計(jì)拓?fù)洌總€(gè) DC/DC 級(jí)驅(qū)動(dòng)不同類型和長度的 LED 燈串，為 LED 照明設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。

　　準(zhǔn)確的顏色混合

　　顏色精度的價(jià)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(zhǔn)確性可能并不重要。但是，如果照明需要反映特定顏色，則準(zhǔn)確性非常重要。即使只使用白色 LED，準(zhǔn)確性也很重要。例如，氙氣大燈可能太黃或太紫。這種不準(zhǔn)確不僅是不可取的（例如，紫色的前燈會(huì)分散其他駕駛員的注意力）；它們會(huì)對產(chǎn)品壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。

　　是否使用單個(gè)或多個(gè)功率級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的決定也可能受到維護(hù)和風(fēng)險(xiǎn)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(gè)功率級(jí)可能有助于降低維護(hù)成本；由于功率級(jí)電路將位于主控制器中，因此每個(gè)燈模塊主要由外殼和 LED 組成。然而，單個(gè)功率級(jí)對于與其連接的許多光模塊來說也是一個(gè)單點(diǎn)故障?；蛘?，需要高可靠性的系統(tǒng)可能依賴于多功率級(jí)拓?fù)?，因?yàn)楣收峡赡軆H禁用單個(gè)照明模塊。然而，

　　簡化功率級(jí)設(shè)計(jì)

　　功率級(jí)設(shè)計(jì)是一個(gè)使用 TI 參考設(shè)計(jì)和軟件工具的相對簡單的過程。TI 提供了參考設(shè)計(jì)，開發(fā)人員可以對其進(jìn)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(jí)。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(jìn)一步調(diào)整參數(shù)，從而創(chuàng)建一個(gè)微調(diào)的功率級(jí)。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(jí)設(shè)計(jì)。

　　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(gè)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(xiàng)目，這些項(xiàng)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(dòng)器級(jí)的閉環(huán)控制。對于不熟悉 LED 設(shè)計(jì)的開發(fā)人員，示例項(xiàng)目大大降低了 LED 學(xué)習(xí)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(dòng)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(jí)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(huì)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(dòng)算法或通過激活其他系統(tǒng)組件（如風(fēng)扇）來動(dòng)態(tài)補(bǔ)償溫度變化。

　　綠色運(yùn)行：系統(tǒng)可以使用各種傳感技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更復(fù)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(dòng)態(tài)調(diào)整 LED 驅(qū)動(dòng)電平。較低的功耗還可以減少散熱，從而降低運(yùn)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(tái)照明。開發(fā)人員可以實(shí)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(yuǎn)程管理和廣泛的高級(jí)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(jìn)行耗時(shí)且成本高昂的重新設(shè)計(jì)。當(dāng)通信接口可用時(shí)，可編程性還可以實(shí)現(xiàn)簡單的現(xiàn)場升級(jí)，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(shí)間而變化。為了提供長期準(zhǔn)確的色彩混合，基于 Piccolo 的照明系統(tǒng)可以編程以補(bǔ)償溫度變化并調(diào)整工作電壓以補(bǔ)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(bào)通知等功能，以提高可靠性并降低維護(hù)費(fèi)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(fù)雜性。例如，高分辨率 ADC 支持電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，從而使設(shè)計(jì)面向未來并保護(hù)設(shè)計(jì)投資。TI 還提供范圍不斷擴(kuò)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(jì)高效地利用新機(jī)遇。

　　單功率級(jí)和多功率級(jí)拓?fù)涮峁┝艘环N有效驅(qū)動(dòng)多個(gè) 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(shí)施單功率級(jí)或多功率級(jí)拓?fù)涞倪x項(xiàng)，同時(shí)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(diǎn)，具體取決于特定應(yīng)用。每個(gè) Piccolo F2802x 系列微控制器最多可以控制八個(gè)單獨(dú)的 LED 燈串，并且根據(jù)所使用的功率級(jí)設(shè)計(jì)，每個(gè)燈串幾乎可以驅(qū)動(dòng)任意數(shù)量的 LED。

　　這兩個(gè)套件都帶有一個(gè)獨(dú)立的基于 GUI 的控制應(yīng)用程序，允許開發(fā)人員試驗(yàn) 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(píng)估不同的電源拓?fù)浜涂刂品椒?，使用最合適的方法啟動(dòng)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(jí)專業(yè)知識(shí)、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(jì)平衡產(chǎn)品價(jià)格、尺寸、復(fù)雜性、電源效率、準(zhǔn)確性、可靠性、可維護(hù)性和性能的系統(tǒng)，以創(chuàng)建最佳系統(tǒng)。