方案介紹

　　Microchip 公司的dsPIC33F系列是高性能16 位數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)，采用改進(jìn)型哈佛架構(gòu)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(shí)的工作速度達(dá)40MIPS,在LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用中，可以很方便實(shí)現(xiàn)多路開關(guān)電源(SMPS)和其它數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器如AC/DC轉(zhuǎn)換器，DC/DC轉(zhuǎn)換器，功率因素修正(PFC)，恒流檢測(cè)等功能， 本文就重點(diǎn)介紹利用dsPIC33 MCU實(shí)現(xiàn)LED電源，驅(qū)動(dòng)，調(diào)光，通訊等一系列應(yīng)用，下面逐一將設(shè)計(jì)思路呈現(xiàn)個(gè)大家。

　　電源部分設(shè)計(jì)

　　LED的壽命最終取決于對(duì)流經(jīng)LED的電源的處理，目前由于對(duì)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(duì)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(zhì)LED燈具廠在制作LED電源時(shí)，都會(huì)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?jǐn)?shù)字控制環(huán)路，因?yàn)樗鼈兙鋫?至8個(gè)分辨率為1納秒(ns)的PWM,多達(dá)4個(gè)20ns的比較器以及1或2個(gè)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(gè)比較器對(duì)應(yīng)有1個(gè)集成的數(shù)模轉(zhuǎn)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(shè)既可將處理器的干預(yù)減至最低，又能滿足高速電流模式控制的實(shí)時(shí)需求。

　　首先將差異性較大的民用交流電轉(zhuǎn)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?yàn)槊裼秒妷翰煌枰a(chǎn)不同型號(hào)LED燈具的困擾。

　　然后dsPIC33產(chǎn)生的SPWM驅(qū)動(dòng)全橋電路，產(chǎn)生交流電壓，通過互感器檢測(cè)波形，經(jīng)變壓隔離后，再進(jìn)行PFC調(diào)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(duì)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(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)

　　目前市場(chǎng)中有很多LED驅(qū)動(dòng)專用芯片，優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，體積小，成本低，但是這種電路也有其無法克服的缺點(diǎn)，如：設(shè)計(jì)單一，智能水平低，驅(qū)動(dòng)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(gè)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(duì)流經(jīng)LED的電流進(jìn)行控制，高分辨率可以讓輸出電流電壓做到精細(xì)化調(diào)整，AD采集實(shí)時(shí)電流，量化輸出，對(duì)LED的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，PWM與AD構(gòu)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(gè)部分來說明這個(gè)電路。

　　充電過程

　　在充電過程中，開關(guān)閉合(MOS管導(dǎo)通)，等效電路如圖二，開關(guān)(MOS管)處用導(dǎo)線代替。這時(shí)，輸入電壓流過電感。二極管防止電容對(duì)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(gè)比率跟電感大小有關(guān)。隨著電感電流增加，電感里儲(chǔ)存了一些能量。

　　放電過程

　　當(dāng)開關(guān)斷開(MOS管截止)時(shí)的等效電路。當(dāng)開關(guān)斷開(MOS管截止)時(shí)，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會(huì)馬上變?yōu)?,而是緩慢的由充電完畢時(shí)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(shí)電壓已經(jīng)高于輸入電壓了。升壓完畢。

　　恒流過程

　　在輸出負(fù)載端加入一個(gè)采樣電阻，將負(fù)載兩端電流情況通過AD,反饋給MCU處理，調(diào)整輸出PWM占空比，實(shí)現(xiàn)恒流處理。

　　調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　LED調(diào)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(chǎng)上存在PWM、模擬及可控硅(TRAIC)三種調(diào)光方案。三種方案中模擬調(diào)光較為簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)比較容易。模擬調(diào)光方案的缺點(diǎn)是，LED電流的調(diào)節(jié)范圍局限在某個(gè)最大值至該最大值的約10%之間(10:1調(diào)光范圍)，由于LED的色譜與電流有關(guān)，因此這種方法并不適合于某些應(yīng)用?？煽毓?TRAIC)調(diào)光方案是目前市場(chǎng)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(diào)光方案，其優(yōu)點(diǎn)在于不需要改變現(xiàn)有房間布線，施工簡(jiǎn)單，通用性比較強(qiáng)，但是其本身是利用犧牲功率因數(shù)和增加了電路的復(fù)雜性為代價(jià)，而且可控硅(TRAIC)調(diào)光也不可以實(shí)現(xiàn)無極調(diào)光，當(dāng)可控硅的導(dǎo)通角低到一定程度時(shí)，燈具就會(huì)出現(xiàn)閃爍，這是其方案原理決定的。PWM調(diào)光是調(diào)光市場(chǎng)的主流方案，其優(yōu)點(diǎn)如下：

　　1、用PWM調(diào)光從零到最光，都不會(huì)有閃爍的現(xiàn)象。

　　2、性能會(huì)更好。因?yàn)檎{(diào)光輸出功率采用了功率因數(shù)校正電路，這是配合全球?qū)艄獠捎霉β室驍?shù)有強(qiáng)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(qiáng)制性功率因數(shù)校正電路。如采用TRAIC調(diào)光將犧牲功率因數(shù)和增加了電路的復(fù)雜性。因此，采用PWM調(diào)光可以提供最好性能的選擇，也是未來的趨勢(shì)。

　　3、成本會(huì)更好。用PWM調(diào)整占空比，不需要太多額外的控制電路成本。

　　4、不管調(diào)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(gè)調(diào)光范圍內(nèi)LED顏色色調(diào)保持一致(顏色色調(diào)像流明輸出一樣隨LED工作電流而變化)。

　　dsPIC MCU在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中就是采用PWM調(diào)光方式。dsPIC MCU配備有4到8通道PWM,可輕松實(shí)現(xiàn)RGB真彩調(diào)光，配合10位片上ADC,管理和檢測(cè)每一組燈的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，達(dá)到更優(yōu)的工作效果。

　　通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　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(yuǎn)特點(diǎn)，逐漸成為主流方案。

　　DMX512協(xié)議是Digital Multiplex的縮寫，是由美國劇場(chǎng)技術(shù)協(xié)會(huì)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(diào)光和燈光控制臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸 標(biāo)準(zhǔn)是燈光行業(yè)數(shù)字化設(shè)備的通用信號(hào)控制協(xié)議，同時(shí)也是是一種國際協(xié)議。

　　DMX512的優(yōu)點(diǎn)：

　　1. 硬件成本相對(duì)低廉，協(xié)議簡(jiǎn)單可靠。

　　2. 信號(hào)管道為總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個(gè)終端的失效不會(huì)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(yuǎn)，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(tái)燈光從業(yè)者青睞。

　　DMX512的不足：

　　1.總線結(jié)構(gòu)使得DMX設(shè)備終端數(shù)有所限制，一般為32個(gè)，需要加信號(hào)分配器。

　　2.總線結(jié)構(gòu)決定了必須通過地址來區(qū)別不同的設(shè)備終端，設(shè)定地址顯得不太方便。

　　3.如果不作擴(kuò)展512個(gè)數(shù)據(jù)通道難以滿足LED燈具的控制要求。

　　4.編程比較復(fù)雜，只適合較為專業(yè)的燈光從業(yè)人員或?qū)I(yè)人士使用。

　　針對(duì)DMX512的不足，本方案對(duì)原DMX512協(xié)議進(jìn)行了一定程度的擴(kuò)展，很好的解決了其不足：

　　1.通過加串行信號(hào)放大器的方式避免原來星形的信號(hào)分配器的方式，大大降低工程布線難度。

　　2.提供已通過測(cè)試的DMX512協(xié)議給客戶使用，縮短客戶對(duì)DMX512熟悉時(shí)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(shè)還支持紅外接口和RF接口，實(shí)現(xiàn)無線控制方式，增加產(chǎn)品的賣點(diǎn);同時(shí)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(jié)論

　　基于dsPIC33 LED驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，同時(shí)又兼顧了驅(qū)動(dòng)輸出路數(shù)設(shè)計(jì)的靈活性，可通過改變控制芯片外圍的存儲(chǔ)器中的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED電流大小、亮滅時(shí)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離調(diào)光控制和無線控制?；赿sPIC33 LED驅(qū)動(dòng)單芯片解決方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　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(guān)電源，沒有變壓器的漏磁損耗，轉(zhuǎn)換效率高，系統(tǒng)滿載時(shí)整體效率高達(dá)95%.

　　驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)--最多可以支持8路非隔離恒流驅(qū)動(dòng)輸出，可驅(qū)動(dòng)8串(每串不少于14個(gè))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(shí)時(shí)控制功能的優(yōu)勢(shì)，每路LED的電流大小、亮滅方式等均可獨(dú)立控制。

　　擴(kuò)展性好--配置溫度、亮度、色溫等檢測(cè)接口，支持串口、I2C,CAN等通訊接口，為系統(tǒng)集成做好了鋪墊。