方案介紹
Microchip 公司的dsPIC33F系列是高性能16 位數(shù)字信號控制器(DSC),采用改進型哈佛架構和C 編譯器優(yōu)化指令集,具有16 位寬數(shù)據(jù)總線和24 位寬指令,3.0-3.6V 時的工作速度達40MIPS,在LED驅動系統(tǒng)應用中,可以很方便實現(xiàn)多路開關電源(SMPS)和其它數(shù)字電源轉換器如AC/DC轉換器,DC/DC轉換器,功率因素修正(PFC),恒流檢測等功能, 本文就重點介紹利用dsPIC33 MCU實現(xiàn)LED電源,驅動,調光,通訊等一系列應用,下面逐一將設計思路呈現(xiàn)個大家。
電源部分設計
LED的壽命最終取決于對流經(jīng)LED的電源的處理,目前由于對成本的追求,很多LED燈具廠家還在使用阻容降壓方式的電源給LED供電,這對LED性能造成很大的傷害,其產(chǎn)品性能也大打折扣;另外由于世界各國及地區(qū)的電力環(huán)境不同,民用電壓也存在差異,各國電器的電壓適用范圍也不同,高品質LED燈具廠在制作LED電源時,都會采用數(shù)字電源方式以使LED能夠獲得最干凈的電源,延長LED的工作壽命。
dsPIC33F “GS”系列數(shù)字電源DSC可全面支持數(shù)字控制環(huán)路,因為它們均配備4至8個分辨率為1納秒(ns)的PWM,多達4個20ns的比較器以及1或2個采樣率為2 - 4 MSPS、具有低延遲及高分辨率控制的10位片上ADC,而每個比較器對應有1個集成的數(shù)模轉換器(DAC)。這些器件采用18至44引腳,具有6至16 KB閃存。這些器件的交互式外設既可將處理器的干預減至最低,又能滿足高速電流模式控制的實時需求。
首先將差異性較大的民用交流電轉化為直流電壓,在此過程中通過K1、K2、K3采集外界電壓變化,由dsPIC33 PWM控制輸出電壓大小,保證輸出電壓的穩(wěn)定性,適用于各種電壓范圍,大大降低了因為民用電壓不同而需要生產(chǎn)不同型號LED燈具的困擾。
然后dsPIC33產(chǎn)生的SPWM驅動全橋電路,產(chǎn)生交流電壓,通過互感器檢測波形,經(jīng)變壓隔離后,再進行PFC調整輸出安全穩(wěn)定的直流電壓供后續(xù)處理供LED使用。
典型的BUCK電路,通過PWM波形和AD組成的閉環(huán)電路,有效的控制輸出穩(wěn)定性,特別指出在該方案中對續(xù)流二極管的處理,既增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性,也降低了功耗。
LED驅動部分設計
目前市場中有很多LED驅動專用芯片,優(yōu)點是電路簡單,體積小,成本低,但是這種電路也有其無法克服的缺點,如:設計單一,智能水平低,驅動電流小,無法做升壓電路,無法量化輸出等。
dsPIC系列MCU,配備4至8個分辨率為1納秒(ns)的PWM和采樣率為2 - 4 MSPS的10位AD,通過MCU PWM控制MOS對流經(jīng)LED的電流進行控制,高分辨率可以讓輸出電流電壓做到精細化調整,AD采集實時電流,量化輸出,對LED的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控,PWM與AD構成閉環(huán)控制,最大程度穩(wěn)定LED的工作狀態(tài),縮小由于LED自身差異性造成的不穩(wěn)定性。
Boost升壓恒流過程要分充電和放電兩個部分來說明這個電路。
充電過程
在充電過程中,開關閉合(MOS管導通),等效電路如圖二,開關(MOS管)處用導線代替。這時,輸入電壓流過電感。二極管防止電容對地放電。由于輸入是直流電,所以電感上的電流以一定的比率線性增加,這個比率跟電感大小有關。隨著電感電流增加,電感里儲存了一些能量。
放電過程
當開關斷開(MOS管截止)時的等效電路。當開關斷開(MOS管截止)時,由于電感的電流保持特性,流經(jīng)電感的電流不會馬上變?yōu)?,而是緩慢的由充電完畢時的值變?yōu)?.而原來的電路已斷開,于是電感只能通過新電路放電,即電感開始給電容充電,電容兩端電壓升高,此時電壓已經(jīng)高于輸入電壓了。升壓完畢。
恒流過程
在輸出負載端加入一個采樣電阻,將負載兩端電流情況通過AD,反饋給MCU處理,調整輸出PWM占空比,實現(xiàn)恒流處理。
調光系統(tǒng)設計
LED調光決方案及規(guī)范一直在不斷變化,直到現(xiàn)在還未固定下來,所以現(xiàn)在市場上存在PWM、模擬及可控硅(TRAIC)三種調光方案。三種方案中模擬調光較為簡單,實現(xiàn)比較容易。模擬調光方案的缺點是,LED電流的調節(jié)范圍局限在某個最大值至該最大值的約10%之間(10:1調光范圍),由于LED的色譜與電流有關,因此這種方法并不適合于某些應用??煽毓?TRAIC)調光方案是目前市場中比較常用的方案,它是基于傳統(tǒng)光源如白熾燈的一種調光方案,其優(yōu)點在于不需要改變現(xiàn)有房間布線,施工簡單,通用性比較強,但是其本身是利用犧牲功率因數(shù)和增加了電路的復雜性為代價,而且可控硅(TRAIC)調光也不可以實現(xiàn)無極調光,當可控硅的導通角低到一定程度時,燈具就會出現(xiàn)閃爍,這是其方案原理決定的。PWM調光是調光市場的主流方案,其優(yōu)點如下:
1、用PWM調光從零到最光,都不會有閃爍的現(xiàn)象。
2、性能會更好。因為調光輸出功率采用了功率因數(shù)校正電路,這是配合全球對燈光采用功率因數(shù)有強制性的要求,雖然一般從25W開始有這要求,但美國要求燈光從零瓦起已需強制性功率因數(shù)校正電路。如采用TRAIC調光將犧牲功率因數(shù)和增加了電路的復雜性。因此,采用PWM調光可以提供最好性能的選擇,也是未來的趨勢。
3、成本會更好。用PWM調整占空比,不需要太多額外的控制電路成本。
4、不管調光程度有多大,允許LED一直在優(yōu)化的和恒定的電流下工組。
5、在整個調光范圍內(nèi)LED顏色色調保持一致(顏色色調像流明輸出一樣隨LED工作電流而變化)。
dsPIC MCU在系統(tǒng)設計過程中就是采用PWM調光方式。dsPIC MCU配備有4到8通道PWM,可輕松實現(xiàn)RGB真彩調光,配合10位片上ADC,管理和檢測每一組燈的實時運行情況,達到更優(yōu)的工作效果。
通訊系統(tǒng)設計
0-10V,DALI,DMX512是目前LED照明系統(tǒng)中常用的三種通訊方式,DMX512由于其數(shù)據(jù)傳輸高效性和傳輸距離遠特點,逐漸成為主流方案。
DMX512協(xié)議是Digital Multiplex的縮寫,是由美國劇場技術協(xié)會USITT提出的。最原始的版本出版于1986年,在1990年做了修改,USITT DMX512/1990是調光和燈光控制臺數(shù)據(jù)傳輸 標準是燈光行業(yè)數(shù)字化設備的通用信號控制協(xié)議,同時也是是一種國際協(xié)議。
DMX512的優(yōu)點:
1. 硬件成本相對低廉,協(xié)議簡單可靠。
2. 信號管道為總線型拓撲結構,一個終端的失效不會影響其它終端的正常工作,系統(tǒng)穩(wěn)定性高。
3. 差分電平工作方式,傳輸距離遠,更適合離散分布的燈具。
4. 協(xié)議為國際通用協(xié)議,兼容性好。
5. 控制靈活方便,深得原傳統(tǒng)舞臺燈光從業(yè)者青睞。
DMX512的不足:
1.總線結構使得DMX設備終端數(shù)有所限制,一般為32個,需要加信號分配器。
2.總線結構決定了必須通過地址來區(qū)別不同的設備終端,設定地址顯得不太方便。
3.如果不作擴展512個數(shù)據(jù)通道難以滿足LED燈具的控制要求。
4.編程比較復雜,只適合較為專業(yè)的燈光從業(yè)人員或專業(yè)人士使用。
針對DMX512的不足,本方案對原DMX512協(xié)議進行了一定程度的擴展,很好的解決了其不足:
1.通過加串行信號放大器的方式避免原來星形的信號分配器的方式,大大降低工程布線難度。
2.提供已通過測試的DMX512協(xié)議給客戶使用,縮短客戶對DMX512熟悉時間,加快開發(fā)周期。
dsPIC33方案除了提供DMX512通訊方式外,由于MCU的通用性,其外設還支持紅外接口和RF接口,實現(xiàn)無線控制方式,增加產(chǎn)品的賣點;同時也可以使用內(nèi)部帶CAN的dsPIC33芯片,將LED燈與汽車產(chǎn)品連接,如汽車儀表盤背景燈,閱讀燈等,增加產(chǎn)品類型。
結論
基于dsPIC33 LED驅動單芯片解決方案,將電源控制及系統(tǒng)管理合二為一,降低了硬件設計的復雜程度,同時又兼顧了驅動輸出路數(shù)設計的靈活性,可通過改變控制芯片外圍的存儲器中的內(nèi)容,實現(xiàn)對LED電流大小、亮滅時間、亮滅模式、環(huán)境亮度及系統(tǒng)溫度等控制參數(shù)的定制,還可通過MCU的通訊接口對系統(tǒng)進行遠距離調光控制和無線控制?;赿sPIC33 LED驅動單芯片解決方案具有以下優(yōu)點:
低成本--單芯片解決多路恒流控制,省去專用的恒流芯片,有效地降低了系統(tǒng)成本。
高效率--非隔離開關電源,沒有變壓器的漏磁損耗,轉換效率高,系統(tǒng)滿載時整體效率高達95%.
驅動能力強--最多可以支持8路非隔離恒流驅動輸出,可驅動8串(每串不少于14個)LED,總輸出功率不低于100W.
控制靈活--采用高性能DSC作為控制核心,可充分發(fā)揮MCU實時控制功能的優(yōu)勢,每路LED的電流大小、亮滅方式等均可獨立控制。
擴展性好--配置溫度、亮度、色溫等檢測接口,支持串口、I2C,CAN等通訊接口,為系統(tǒng)集成做好了鋪墊。
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