基于PWM的LED照明功率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)光二極管（LED）已迅速成為許多照明應(yīng)用的首選。 LED制造商對(duì)效率和亮度的改進(jìn)意味著從汽車前照燈到倉(cāng)庫(kù)和工廠照明等應(yīng)用幾乎沒(méi)有其他同等選擇。 LED相對(duì)于其他選項(xiàng)的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是其可控性，但這確實(shí)需要使用電子電路來(lái)充分利用該技術(shù)，而不會(huì)引入諸如閃爍或過(guò)熱等問(wèn)題。

不僅僅是LED的有效控制是必要的，照明系統(tǒng)需要能夠自動(dòng)響應(yīng)環(huán)境光等條件的變化，以及可能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接發(fā)出信號(hào)的要求變化。

傳感器靠近照明組件可以確定最合適的人工照明水平，以避免浪費(fèi)電力的情況。在智能溫室，高棚照明和街道照明等應(yīng)用中，LED可以在環(huán)境條件有利的情況下完全關(guān)閉，并隨著黑暗的增加逐漸上線。與此同時(shí)，遠(yuǎn)離窗戶的倉(cāng)庫(kù)角落等較暗的區(qū)域可以安全，高效地點(diǎn)亮。

原則上，LED提供的亮度易于控制。 LED的光輸出是正向電流的近似線性函數(shù)。為了提供一致的照明，LED需要恒定的驅(qū)動(dòng)電流。所需的電流量不僅取決于LED，還取決于環(huán)境因素。通常，亮度 - 電流曲線增加。然而，電流的增加導(dǎo)致LED結(jié)溫升高。結(jié)溫過(guò)高會(huì)導(dǎo)致光輸出降低，整體效率降低。

提供給LED的電流并不總是保持在恒定水平。相反，高頻開(kāi)關(guān)用于將平均電流脈沖輸出到接近恒定的水平。大多數(shù)LED照明設(shè)計(jì)采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）來(lái)提供電流控制。

基于PWM的LED功率控制在目標(biāo)亮度級(jí)別的常見(jiàn)配置是計(jì)算固定的關(guān)閉時(shí)間。然后，電路根據(jù)電流測(cè)量值改變施加功率以適應(yīng)條件的時(shí)間。固定關(guān)斷時(shí)間方法的優(yōu)點(diǎn)是紋波電流和平均電流水平僅取決于關(guān)斷時(shí)間和LED正向電壓。在固定的關(guān)閉時(shí)間內(nèi)，正向電壓取決于串中LED的溫度和數(shù)量。

軟件算法可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)電壓補(bǔ)償來(lái)補(bǔ)償這些影響。該算法監(jiān)控LED上的電壓降，并調(diào)整關(guān)閉時(shí)間長(zhǎng)度。然后通過(guò)調(diào)節(jié)所提供的峰值電流來(lái)控制平均LED電流，該峰值電流是在LED燈供電的MOSFET開(kāi)啟時(shí)測(cè)量的。

STMicroelectronics的STLUX系列照明控制器提供驅(qū)動(dòng)方式多達(dá)六個(gè)LED串，借助于改進(jìn)的降壓拓?fù)涔β兽D(zhuǎn)換器獨(dú)立使用固定關(guān)斷時(shí)間控制。 STLUX系列照明控制器采用的控制策略的核心是狀態(tài)機(jī)，事件驅(qū)動(dòng)（SMED）技術(shù)。這使得控制器可以操作多個(gè)LED串，每個(gè)LED都有自己的PWM發(fā)生器，并且無(wú)需軟件干預(yù)即可獨(dú)立響應(yīng)外部和內(nèi)部事件。

內(nèi)置微控制器配置和編程SMED單元，如圖1所示。該微控制器基于ST8微架構(gòu)，該架構(gòu)基于CISC設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高代碼密度，并提供低功耗優(yōu)化。

圖1：SMED單元與管理程序核心和I/O之間的關(guān)系。

STLUX交換機(jī)中的六個(gè)SMED中的每一個(gè)在四個(gè)狀態(tài)之間，在需要凍結(jié)PWM時(shí)鐘直到滿足退出條件的情況下增加保持狀態(tài)。一個(gè)應(yīng)用是調(diào)光。當(dāng)監(jiān)控控制決定啟動(dòng)調(diào)光占空比的關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，SMED進(jìn)入保持狀態(tài)。當(dāng)關(guān)閉狀態(tài)定時(shí)器達(dá)到其極限時(shí)，SMED切換回正常操作以進(jìn)行常規(guī)，精確的PWM電壓控制。

運(yùn)動(dòng)可以在四種狀態(tài)中的任何一種之間，如圖2所示。進(jìn)入SMED控制狀態(tài)機(jī)何時(shí)以及如何轉(zhuǎn)換到新的目標(biāo)狀態(tài)，并且SMED可以鏈接以構(gòu)建更復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)，其中不需要完全獨(dú)立控制每個(gè)字符串。

圖2：SMED單元可能的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

使用96 MHz的工作頻率，PWM的最大分辨率為1.3 ns。 SMED架構(gòu)允許控制器在10 ns內(nèi)對(duì)事件做出反應(yīng)。

為了支持固定關(guān)斷時(shí)間配置，基本SMED提供了足夠的狀態(tài)來(lái)處理核心PWM周期以及故障響應(yīng)和恢復(fù)。初始化后，SMED切換到S0，主要用于控制關(guān)閉時(shí)間。在此狀態(tài)下，輸出PWM線設(shè)置為0 V.定時(shí)器用于確定從S0退出的時(shí)間。為了支持調(diào)光，S0可以進(jìn)入保持狀態(tài)以保持輸出為0 V.如果不需要調(diào)光控制，則狀態(tài)移至S1。

S1用作電流斜坡和故障檢測(cè)狀態(tài)。在轉(zhuǎn)換到S1期間，PWM輸出線設(shè)置為高。這會(huì)打開(kāi)輸出功率MOSFET，并允許電流流入LED和檢測(cè)電阻。在正常情況下，在SMED處于S1期間，電流不應(yīng)達(dá)到峰值安全限值。在固定關(guān)閉時(shí)間算法中，S1通常被編程為在PWM周期的接通時(shí)間的三分之一過(guò)去之后退出：在S2期間處理接通時(shí)間的剩余部分。但是，如果非常早地達(dá)到電流限制，這在正常條件下不應(yīng)發(fā)生，則表示發(fā)生錯(cuò)誤，這會(huì)強(qiáng)制SMED進(jìn)入S3。

S2是電流限制狀態(tài)，用于在正常條件下查找峰值電流水平。電流峰值由STLUX DAC上配置的電壓決定。當(dāng)電流峰值到達(dá)時(shí)，SMED循環(huán)回到S0狀態(tài)，PWM輸出在下一個(gè)固定關(guān)閉時(shí)間周期開(kāi)始時(shí)切換回0 V.

S3充當(dāng)過(guò)流狀態(tài)。在轉(zhuǎn)換期間，PWM輸出關(guān)閉以保護(hù)下游電路，并且定時(shí)器設(shè)置為最大值5μs。當(dāng)定時(shí)器到期時(shí)，SMED進(jìn)入S0進(jìn)行新的循環(huán)，但也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部MCU的中斷，以便軟件可以監(jiān)控未來(lái)的循環(huán)，必要時(shí)停止SMED轉(zhuǎn)換，并生成用戶警報(bào)。容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持