在汽車應用中實現高亮度LED控制的成本效益

高亮度LED（HBLED）在汽車、消費電子和工業市場正在快速普及。 色彩絢麗、壽命長、能源效率高，這些是高亮度LED成為照明應用未來發展趨勢的部分原因。

在汽車行業，HBLED技術使車輛在造型、安全、燃油的經濟性方面與眾不同，從簡單的開關照明、LCD背光到亮度極高的頭燈應用都包括在內。但是，高效、可靠地控制HBLED的亮度，不是一件容易的事情；功率級效率，熱設計和EMC是涉及HBLED的應用中最關鍵的設計難題。 通常情況下，使用專用恒定電流驅動器（CCD）來驅動HBLED串來解決大部分重要設計問題，并簡化設計。不過，CCD通常比基于微控制器的解決方案更貴。本文介紹使用8位微控制器（MCU）和低成本的分離解決方案來實施智能HBLED照明控制，從而避免使用高昂的模擬驅動或CCD。

高亮度LED的重要特征

正如在低強度LED中的情況一樣，高亮度LED的發光強度與通過的電流程成正比。該電流通常被稱作正向電流（IF），在HBLED中的范圍是100mA~1000mA。 同時，每當HBLED進行極化時，都會出現壓降，稱為正向電壓（VF）。在HBLED中，光度和色度與IF成正比，因此對通過HBLED的電流進行精確控制顯得至關重要。

具有相同部件號和技術規范的HBLED，不一定擁有完全相同的VF值。當通過兩個HBLED的電流IF相同時，它們的后向電壓VF可能不同。 因此，通過恒定電壓的方式控制LED強度，可能會導致HBLED和HBLED之間的密度不同，并且要確保所有HBLED具有相同亮度，則必須提供一個電流控制。

不僅發光強度與通過HBLED的電流有關，色度也與HBLED電流有關。 為了保持HBLED顏色，HBLED必須采用恒定電流進行驅動。本解決方案將使用PWM（脈寬調制），從而在HBLED（光照強度）中提供一個更低的平均電流，而同時還能保持相同的瞬時電流（LED顏色）。

隨著HBLED電流增加，功耗也將增加。電流為350mA。壓降為3V的HBLED大約會消耗1瓦的電，如果不進行正確的熱管理，這種耗散可能會導致HBLED過熱和長期性能下降。熱設計的另一個重要方面是，HBLED發光強度與LED結溫成反比，隨著溫度增加，發射器的顏色會進入更高的波長。

驅動高亮度LED所面臨的難題

在低強度LED中，使用電阻來限制IF電流非常普遍。 在HBLED中，電阻的額定功率必須更高，這會導致系統效率低下。 因此，在HBLED系統中，開關模式電源（SMPS）被用來提高效率和降低功耗。由于SMPS需要能源存儲組件（電感器和電容器），因此價格通常更貴；同時，SMPS還可能造成噪音或EMI問題。

一組HBLED可以同時通過并聯或串聯方式驅動，并聯驅動使每個HBLED有不同的光照強度，但如果需要一個控制回路，每個HBLED會要求一個專用控制，因此對于大量HBLED來說費用過高。

以并聯方式連接HBLED時，每個燈串只需要一個驅動和控制回路，穿過串聯中所有HBLED的電流都相同，從而為它們提供相對恒定的亮度。 根據串聯的LED數量，線路穿要求的電壓可能低于或高于輸入電壓。

采用基于微控制器的解決方案

市場上有大量用來驅動HBLED恒定電流的解決方案，其中一部分基于專用智能模擬驅動，另一部分使用數字信號處理器（DSP）或帶獨立模擬驅動的微控制器。

人們普遍認為，基于MCU的解決方案不是執行HBLED恒流控制的最好方法，特別是系統采用分離元件構建的開關式電源時會變得不夠穩定，并且不可能通過EMC認證。 飛思卡爾半導體公司現已創建了一款用于雙燈串HBLED照明控制的設計樣例。該HBLED基于S08MP16八位微控制器，MCU負責測量來自LED燈串的電流饋電，使用PID控制算法進行處理，從而控制獨立的降壓升壓開關式電源的操作，通過HBLED燈串確保最佳電流流量。

該微控制器還負責監控用戶輸入、電池電壓和溫度傳感器，診斷實時的LED電源供應狀態，一些特別的通信功能，如LIN功能也可以在同一個微控制器中實施。

開關式電源用來提供到HBLED的電源，它是離散降壓升壓拓撲結構，可以在1到18個LED燈串范圍（0V?65V的連續范圍）內操作，并且在頻率為350kHz時運行500mA的輸出電流。應用框圖見圖1。
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開關模式電源設計面臨的難題

對于大量HBLED，需要提供降壓升壓電源，以便感應高于或低于電池電壓（VBAT）的輸出電壓（ VOUT ）。

現在有許多降壓升壓拓撲可以使用，例如CUK電路或SEPIC轉換器，每個拓撲在要求的元件數量、正負電壓基準和效率方面具有不同的要求和各自的優勢。

在本設計中選用的開關模式電源組合了一個降壓轉換器和一個升壓轉換器，它們使用共同的電感器和電容器，將操作模式從降壓變成升壓或從升壓變成降壓需要取決于晶體管Q1和Q2的狀態，如圖2所示。
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該拓撲結構降低了成本，不需要額外的電感器和電容器。此外，根據開關模式電源運行的模式，它的傳遞函數減少為一個共用降壓或升壓轉換器，從而從控制的角度簡化了設計。

為了控制使用獨立開關模式電源拓撲的EMC，需要設置緩沖過濾器，并將它們添加到開關晶體管Q1和Q2上；且需要在兩通道間將軟件控制策略設為中心對齊PWM和開/關時延。

選擇適當的微控制器用于恒流HBLED控制

開關模式電源（SMPS）要求準確的開關頻率和占空比，PWM信號抖動會反映在輸出電壓，進而反映在HBLED強度中。同時，為了節省感應器成本和電容器大小，必須將開關頻率提高為數萬赫茲。模數轉換器分辨率和通道可用性，對于隨時監測和控制HBLED電流和電壓也很重要。

為了實現HBLED恒流控制，S08MP16測量反映在電流檢測電阻里的HBLED燈串電流，這個電阻與HBLED燈串進行串聯。 S08MP16嵌入式12位模數轉換器，可以使用小電阻值，功耗極小。此外，通過使用ADC和電阻分壓器，可以測量過流和過壓情況下的SMPS輸出電壓及診斷開放負荷。

圖3 嵌入式PID控制框圖

為了控制開關式電源頻率和占空比，可以使用FlexTimer（FTM）模塊;在適合汽車版本中使用高達 40MHz的定時器操作頻率，可以生成高頻率和高分辨率的脈沖寬度調制（PWM），每個燈串上可與更多HBLED一起操作，在進行小型操作時不會出現HBLED強度不穩定的情況。此外，可編程時延模塊（PDB）用于在該應用程序中，可以將ADC讀數與PWM 切換頻率同步，從而確保只有在ON(開)狀態下電流出現穩定時才會顯示ADC讀數。

如何計算八位微控制器的恒流控制算法

在大部分情況下，簡單的控制回路就能確保HBLED的正確驅動；借助閉環控制，該模塊能補償電池電壓、溫度或在開環中可能影響到HBLED電流的任何其他參數變化。

進行恒流控制時，該模塊提供在規定電壓保持HBLED燈串所需的電壓，這也使得每個燈串上的HBLED數目可以靈活設置，不需要進一步的校準和硬件更改。

要在8位微控制器中集成控制回路，應避免使用浮點庫；在本例中，可以使用16位變量來完成計算。

結論

要驅動HBLED很簡單，但要在不提高成本的情況下高效、可靠地驅動HBLED，則沒那么簡單。而使用8位低成本微處理器，只要它有正確的外設，就可以節省成本，并能高效、可靠地驅動HBLED。硬件和固件設計對于確保HBLED應用在模塊預期的使用周期期內表現出預期的性能至關重要。

盡管本文的設計針對的是汽車應用，但這些概念和解決方案可以在使用HBLED的許多其他工業和消費電子應用中使用。