基于PIC微控制器為控制單元的LED驅動電路設計

一、引言 近年來，隨著半導體技術的不斷發展，LED 作為一種供電電壓低，功耗小，壽命長，無輻射的新型光源，應用領域日益擴大，完全可望取代傳統的白熾燈和日光燈燈泡，成為固態照明的關鍵光源。許多固態照 明應用常采用智能控制電路系統來驅動 LED 以履行各種功能和任務，譬如為確保流經 LED 的電流不受供電電壓波動的影響維持恒定，從而使 LED 的亮度無明顯變化的亮度調節就是控制電路系統的任務之一。亮度調節涉及電流調整與調光控制?？刂齐娐废到y的另一任務是失效識別。因 LED 具有很強的溫度相關性，大多失效又與溫度有關，故控制電路系統應能履行溫度補償。此外，通過硬件選擇以適應不同亮度 LED組合的驅動也極必要。一塊芯片上可集成全部必要硬件功能的 PIC 微控制器，由于價格低廉，時鐘頻率高達 20MHz，功耗極低和工作溫度范圍寬等特點，非常適合作 LED 的驅動控制電路。本文即討論以 PIC微控制器為控制單元設計 LED驅動控制電路的一些考慮。二、PIC 微控制器 PIC 即可編程中斷控制器（Programmable Interrupt Controller），一類可利用電或紫外光擦除與重寫的多功能集成器件。圖 1 為微芯（Microchip）公司 PIC 微控制器典型的功能框圖。

采用PIC微控制器作LED驅動控制電路系統的核心，需要用到其中幾個完整模塊和把一些管腳設定為模擬輸入。模擬電壓通過A/D模塊轉換為數字量。 被轉換的信號由軟件選定直接發送給A/D模塊。模塊的恒定基準電壓可通過輸入管腳外部施加，也可通過內部的基準電壓模塊施加。若采用后者，則 PIC 的電源電壓應通過電壓調控器保持恒定?？刂破骶幊滩恍枰S多硬件，簡單的編程器件通過搜尋 www.ic-prog.com 上的實例即可建立?？刂破髦挟a生可執行匯編程序的軟件都能免費下載。 PIC推薦使用處理方便和允許更改的C編譯器，程序可采用模塊化設計思路。以主程序為核心設置功能模塊子程序，簡化設計結構。運行過程中通過主程序調用各 功能模塊子程序，進行循環控制即可滿足要求。三、LED 的配置 設計LED 驅動電路必須考慮 LED 的配置。原則上， LED有三種可能配置：整個電路以電阻構成陣列連接，每個LED與電阻串聯或與電阻構成陣列連接。圖 2 為以每個LED一個電阻構成的LED列陣連接。圖中每個LED擁有各自的電阻，這些電阻可作調節二極管電流的基準電阻用。

譬如，若某個LED 失效，則非串聯情況下的其余 LED 仍繼續運作，但由于總電流可在剩余的三條通路中分配，故失效將導致并聯二極管中的電流增多，引起亮度的不均勻分布，不過亮度的損失根本上可由與失效器件同一通路中其余LED的電流增加得到補償。四、驅動器的控制功能 ① 調光 調光是驅動器控制最基本的功能，通過調光產生不同的 LED 亮度等級。采用脈寬調制 （PWM：pulse width modulation） 是解決調光的簡單辦法。PWM 信號實際上就是周期切換直流電壓的通斷，故利用微處理器內置的 PWM 模塊即可方便設定和控制 PWM 信號。如果周期維持不便，亮度則可以利用脈沖的持續長度，即占空比 D 來調節。采用 PWM 信號的優點是可以保持峰值電流恒定，從而可以防止由于峰值電流升高產生如諸如 InGaN 器件中波長移位之類的負作用。 ② 電流調整 驅動器控制的第二個功能是應使 LED的亮度保持不變。為保證 LED亮度不變，則流經LED的電流必須恒定。這就要求各單個LED流經的電流都是確定的。為測定流經二極管的電流，每個二極管都要采用串聯電阻。通過測 量電阻兩端的電壓可測出電阻流經的電流，因此便可確定流經LED的電流。電壓測量由 PIC 中電壓高達 5V ，并可與恒定基準電壓比較的A/D模塊執行。但A/D模塊不能直接連接到串聯電阻兩端，一方面這是因為電壓的電平可能遠高于5V，另外，就是PWM 信號必須首先轉換成直流信號。經過2次測量和隨后的相減會產生雙倍測量誤差。建議采用圖3所示消除雙倍測量誤差問題的電流測量電路。

采用該電路時，凡正輸入電壓與U1相接，負輸入電壓與U2相接。圖中U1和U2信號由RC元件轉換成直流信號再與運放連接。運放可利用各種電阻配置 成減法器。就該電路而言，U1的直流電壓將從U2減去，A/D模塊測得的就是其差。這能使控制器對電流的變化做出反應。由于運算放大器具有非常高的輸入阻 抗，故系統不會受測量電路影響。 ③ 溫度測量 然而由于受溫度的影響，即使電流不變，亮度也會變化。圖4所示即亮度與溫度的相互關系：

為在整個極端溫度范圍內維持亮度恒定，必須采用溫度補償?？紤]到環境溫度的測量應盡可能低廉，對二極管而言，補償精度要求不高，容差 5°C 已經足夠。下面給出兩種可能的溫度測量方法： 采用溫度相關型電阻進行溫度測量 首先選一個溫度相關型電阻與一個溫度不相關電阻串聯。通過A/D模塊測量電壓，溫度便能確定，控制器即可作出相應反應。該法的缺點是必須在PIC中以數值表形式保存電阻的響應曲線。 利用門限定時器測量溫度 該法利用了PIC門限定時器模塊的阻礙作用。門限定時器模塊由受內部 RC振蕩器調節的8位定時器組成。通常，定時器在后臺運行且常被微處理器重置，如果控制器因差錯或陷進死循環。就能重新回到設定狀態。但所用 RC 振蕩器應與溫度相關。如采用外部溫度補償的時鐘發生器，則可通過比較兩個時鐘發生器來確定溫度。利用門限定時器測量溫度不需要外部元件，只是 PIC 制造商不能保證門限定時器的溫度相關性。 ④ 故障識別 當然， LED 不工作時，亮度調節就沒有用處。下面介紹一種檢測陣列中單個LED對總故障貢獻的方法。故障識別可以采用以前用于檢測電流的電路。LED總的故障就是導致 通道中斷，因此造成串聯電阻無電流通過。由于昂貴的元件費用和所涉及裝備的限制，自然不可能對每個二極管都添加電流檢測電路。該問題此處采用了能使每個二 極管都被選取并與測量電路相連的多路復用開關來解決。圖5所示為含三個二極管電路采用多路復用開關故障識別技術的描述。

多路開關可通過微控制器進行數字控制。為確定電流調節二極管流經的電流和幫助識別故障，每個 LED 都標有可供 PIC 選用的地址。 ⑤ 不同亮度組的調節 由調節不同亮度組構成的驅動電路系統是一種附加選項。對于眾多 LED 來說， 必須注意將同類型的 LED 分成各種不同亮度的組。亮度不同組的使用導致 LED 流經相同電流產生的亮度不同。亮度可用 PWM 信號調節?？删幊痰妮斎?輸出引腳即為無須重新編配控制器的調節方法而提供。因各獨立的亮度組均由數字選定，故要區分所有數字標志的亮度組，必須有足夠多 輸入引腳。例如，3 個輸入引腳，則可區分2 3 = 8 個亮度組。于是根據輸入引腳的組態（高或低），便可指定控制器輸入處的數目選定相應的亮度組，其亮度因此也可調節。圖 6 所示為 3 個輸入引腳可用 8 個不同亮度組的示例。根據電阻 R1X - R3X 的值、微控制器的輸入端將接收到大于 4V 的高電平信號或小于 1V 低電平信號，從而選定對應的亮度組。

?綜合以上考慮，可得圖 7 所示驅動電路系統設計原理圖：

五、結論 PIC 微控制器能在一塊芯片上集成眾多必需的硬件功能，非常適合作LED智能控制的驅動系統，本文討論了以 PIC 微控制器為控制單元設計 LED 驅動控制電路的各種考慮，提出了設計原理圖，但愿可為LED 完全取代傳統的白熾燈和日光燈提供某些參考信息。
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