采用混合信号高电压单片机实现LED降压-升压驱动电路

ｌｅｄ背景知识　　近年来，ｌｅｄ逐渐成为一种可行的新兴光源，它们已经不再仅仅用作电子设备的“状态指示灯”。技术进步使得ｌｅｄ的发光效率通常可达白炽灯的三倍多，此外，ｌｅｄ还非常耐用，寿命超过上万小时。　　针对照明应用的大功率ｌｅｄ要采用恒流源驱动，一些标准驱动电流常常用在不同ｌｅｄ生产商的产品中，其中，３５０ｍａ和７００　ｍａ最为常见。根据串联结的类型和数量，ｌｅｄ两端的正向压降可能不同。许多生产厂商的大功率ｌｅｄ产品都在单个模块中集成了多个结。　　驱动ｌｅｄ的一种简单方法是采用串联电阻来限制电流。线性稳压器或运算放大器也可连接成恒流配置。然而，此类线性方法无法在所需要的功率水平下提供足够的效率。　　开关电源（ｓｍｐｓ）为ｌｅｄ驱动提供了效率更高的解决方案，它可以将输入电压升／降至适当的电平，从而提供所需要的ｌｅｄ电流。系统输入电压范围以及所需要的ｌｅｄ正向压降决定了对ｓｍｐｓ拓扑结构的选择。　　降压－升压转换器　　当供电电压高于或低于需要的输出电压时，使用降压－升压转换器结构。对于电池应用来说，降压－升压转换器非常有用。降压－升压结构还称为反激式（ｆｌｙ－ｂａｃｋ）变压器或逆变稳压器。　　降压－升压转换器可按图１的方式实现。这种实现方案的优点是可使用简单的低端ｍｏｓｆｅｔ驱动器电路，它的拓扑结构将产生相对于输入电压轨的正电压，这一降压－升压实现方案的缺点是负载并未以电路地为基准。　　采用ｐｉｃ１６ｈｖ７８５的电路实现方案　　图２显示了ｌｅｄ驱动电路的简单设计方案，其中采用了一片混合信号高电压８位单片机，如ｐｉｃ１６ｈｖ７８该电路的输出相对于电池电压，而非地电位。逆变器的输出连接到ｌｅｄ的阳极，产生的电压值高于输入电压。　　ｐｉｃ１６ｈｖ７８５混合信号单片机集成了一个８位单片机内核和多个片上模拟外设，包括：　　一个高速双相位ｐｗｍ电路，对于开关电源的电流模式控制非常适合。　　两个片上运放，可用于放大电流检测电阻两端的电压。这样可以采用极小阻值的检测电阻，从而可以降低电路损耗并提高电路的总效率。　　一个高电压分流稳压器，在输入电压更高时也不需要外部５ｖ稳压器。　　一个数字捕捉、比较和ｐｗｍ（ｃｃｐ）模块。　　两个模拟比较器。　　一个１０位ａ／ｄ转换器。　　内部时钟电路，工作频率８ｍｈｚ。　　一个内部精确电压参考源，不需要昂贵的外部器件。　　一个可编程欠压复位（ｂｏｒ）电路。　　运放和比较器的所有引脚都可以通过外部访问，因此可以实现任意电路配置。　　电流检测电路　　电流检测运放连接成差分放大器，以精确测量电流、检测电阻两端的电压。为简化电路要求，在电源返回路径上进行电流测量。ｒ１、ｒ２和ｃ１构成一个低通滤波器，用来降低可能存在的开关噪声。为避免影响控制环的响应，该滤波器的截止频率必须大于电压转换器的开关频率。　　稳流电路　　稳定ｌｅｄ电流流量的电路由双相位ｐｗｍ模块、内部比较器和一个参考电压源构成。双相位ｐｗｍ模块是按置位／复位原理工作的“模拟”式ｐｗｍ模块。首先，从系统时钟产生的一个时钟信号用来周期性地开启ｐｗｍ输出。ｐｗｍ时钟信号确定基本的ｐｗｍ频率。然后，当达到指定的参考电平时，来自一个片上比较器的复位信号会关断ｐｗｍ输出。　　放大后的电流信号内部连接到ｐｉｃ１６ｈｖ７８５中比较器１的正输入端。ｐｗｍ模块使用ｐｉｃ１６ｈｖ７８５　器件中的捕捉比较外设（ｃｃｐ１）来产生比较器所需要的参考电压。采用ｐｗｍ可以更精细地控制比较器参考电压。利用ｒｃ滤波器对ｐｗｍ信号进行滤波，从而获得一个模拟电压并将它输送给比较器的负输入端。　　软件实现方案　　这一应用的软件部分非常简单，因为ｌｅｄ电流控制功能是采用模拟方式完成的。一旦所有外设被设为使能，并且正确设置了电流参考值，那么不需要软件干预，ｌｅｄ就会持续发光。　　然后，应用程序代码可以测量供电电压（利用片上集成的１０位ａ／ｄ转换器）和供电电流，从而保证驱动ｌｅｄ工作在恒定功率模式。随着电池输入电压的变化，ｄ／ａ电路（采用ｃｃｐ外设实现）将产生新的参考电压值进行补偿。　　设置ｌｅｄ亮度　　由于单片机内核在稳定功率方面仅需要花费很小一部分时间，因此更多的时间可用于用户界面以及提供更多功能，如电池状态监控和亮度控制。利用这一电路及软件调整ｌｅｄ亮度有两种方法。其中一种