混合訊號微控制器力挺　三通道LED驅動IC設計出線

輝輝仔 · 發表於 2008-6-6 18:39:25

固態照明目前已快速成為電機工程與設計中最受矚目的領域之一。發光二極體(LED)結合高彈性與效率，是傳統照明難以比擬的技術。LED目前已被運用在許多建築與舞台的照明設備上，因為其能從很小的體積中發出可靠及壽命長的光源。每種特殊照明都是獨特的，因為每個行銷部門都能在不同的功能中發現其價值，因此市面上出現越來越多特殊的IC產品，讓原本就已經繁多且差異化的產品種類更加多元。可程式混合訊號微控制器(MCU)正被業者快速採納，因為單一元件能整合各種周邊功能，這類周邊元件包括脈衝調變(PWM)、通訊介面、放大器、比較器、以及資料轉換器。

各種複雜的功能如可調光降壓轉換器，即結合上述多種LED驅動器使用的降壓轉換器中之周邊元件控制，而且必須是電流模式穩壓器，因為LED是電流模式元件。LED的V-I曲線顯示順向偏壓對電流產生多種指數效應，因此任何LED驅動電路上的回饋，都代表電流。此外，系統使用固定電流，因LED的色彩與亮度是額定的，且製造商使用特定的順向電流，這些特性都相當重要，因為可用來配合整體系統的規格。
圖1顯示一個典型的LED系統，包含一個通訊介面、各種顏色的LED，每種顏色代表一個通道，每個通道搭配一些運算元件及一個固定電流驅動器。通訊介面可採用關於ZigBee或無線(Wireless)USB的DMX512或DALI兩種照明協定。運算元件是內建有類比數位轉換器(ADC)及多種LED調光周邊元件，其中，ADC負責監視各種系統變數，如溫度與LED電流，系統則負責監視與混色作業；驅動器為通道中每個LED提供一個固定電流，而驅動器的複雜度與品質，將影響驅動器價格。

圖1　LED系統模塊圖

遞滯降壓控制器　可縮小晶片體積

把LED驅動器整合至微控制器，能減少整個系統解決方案的體積。目前市面上有少數解決方案，整合切換式電源供應器(SMPS)的高功率元件和微控制器的運算元件，次佳的選擇，是把SMPS的回饋與控制電路整合到微控制器。圖1的CY8CLED16 EZ-Color元件內含必要的類比電路，可執行這方面的作業，這種設計的SMPS拓撲是電流模式控制的遞滯降壓轉換器架構(圖2)。

圖2　遞滯控制器架構

在啟動時，通過電感的電流持續升高，直到比較器的正輸入端電壓大於比較器負輸入端的電壓，之後，轉換器即扮演自由振盪器的角色，而兩個位準之間的電流充電與放電，如圖3所示。

圖3　理想的LED電流波型

ITH_HIGH以及ITH_LOW是由分流電阻、RIN與RHYST兩個電阻的回饋值及DAC輸出電壓，根據以下公式設定。可以看出選擇較大的RHYST，會產生高低臨界值的差距會縮小。

當PFET啟動，電感開始充電後，充電階段即展開(圖4a)。比較器會藉由量測分流電壓監視電感的電流，放電階段(圖4b)是當達到ITH_HIGH臨界電流後才開始。在放電階段，電流是透過飛輪二極體來釋放，飛輪二極體能保護電路元件，避免遭遇到電感反沖的破壞，並讓LED保持開啟，當LED的電流超越ITH_LOW臨界值時，就會再度進入充電階段。

圖4　降壓轉換器的充電(a)與放電(b)階段

當轉換器啟動時，會保持在充電狀態，直到電感電流達到ITH_HIGH臨界值，達到這個臨界值所耗費的時間稱為上升時間trise，決定trise的因素包括輸入電壓與電感值，如以下的公式，公式中VF是串聯LED的順向電壓。

由於在上面的公式中，電感位在分母，因此上升時間和電感值有直接連動關係。短暫的上升時間對調光程序相當重要，因為較小的脈衝寬度，讓系統能使用較高解析度的調變器，但這並不是使用較小電感值的唯一理由。配合額定電流的較小電感值與較大的電感比較，不僅體積更小，且成本更低，因為其封裝體積與高電感值電感差不多，但卻能處理更多電流。

平均電流誤差運用校正演算法

圖3顯示LED電流的理想波型，其中不計入比較器的反應時間(tr)。比較器的tr是指輸入電壓超過數位類比轉換器(DAC)參考值後，輸出至改變狀態所耗費的時間，若納入考量，其會影響過擊、漣波及LED電流的平均值。平均電流誤差來自比較器的有限反應時間及電感波型的斜率不平衡狀態，圖3充電時的斜率高於放電時的斜率，這種情況發生在輸入電壓遠大於LED順向電壓，由於放電波型的斜率遠大於放電波型的斜率，因此在比較器反應時間內的平均電流，將大於圖5所示的預估值。

圖5　電流誤差圖

實際的尖峰電流將等於尖峰電流臨界值及尖峰電流誤差的加總值，谷底電流等於谷底電流臨界值與公式1中谷底電流誤差的加總值。除了比較器的反應時間外，尖峰電流公式還顯示輸入電壓、電感值、以及LED順向電壓，都會影響尖峰電流誤差，谷底電流顯示順向電壓會影響谷底電流誤差，這裡的VD是飛輪二極體的順向電壓。

　　　　...公式1

在電感容許值與LED順向電壓備援的不同誤差下，可計算出電流誤差值，但若系統中已有一個具備8:1類比多工器的整合類比對數位轉換器，以及可程式增益放大器，也可用來量測誤差。電流誤差是運用校正演算法量測與處理，之後再藉由變更DAC的輸出電壓設定一個新的臨界值。

圖6中，當Q1閘極發現邏輯電位的高端輸入時，Q3就會透過一個分壓器啟動，並把Q4閘極切換至短路，VIN切換至關閉狀態。當Q1閘極出現邏輯電位過低時，沒有電流會通過分壓器，Q2閘極會切換至VIN，Q4閘極則連結至接地，把PFET切換至執行(On)狀態，當輸入端處在高位狀態，開關就關閉；當輸入端處在低位狀態，開關就啟動，因此元件中比較器的輸出端會出現反轉。當輸入電壓沒有超過Q2與Q4電晶體的VGS(MAX)規格，圖6中的電位轉移電路就會持續運作。電路能藉由加入一個Zener二極體與電容器，以支援較大輸入範圍，從VIN連結至Q2的來源，並在Zener的正極到接地端加入一個偏向電路。

圖6　準位偏移器詳圖

運用軟體工具開發簡單解決方案

遞滯降壓轉換器元件介面連結IC的類比與數位部分，將使用者模組置入PSoC Designer。如圖7所示，一個比較器使用者模組置入到一個連續時間模塊，其負輸入端連結一個9位元DAC，這個DAC置於兩個切換電容類比模塊。比較器的正輸入端連結至一個4:1多工器。輸出端連結至比較器的數位匯流排，並在這裡經過反轉，以抵銷位準偏移電路的反轉效果(圖8)，比較器的數位匯流排連結晶片的數位區塊，數位訊號也是在這裡處理轉送作業。

圖7　單通道的類比元件配置

圖8　單通道的數位元件配置

上列圖7及圖8顯示如何設定EZ-Color類比與數位模塊，以建構出降壓轉換器。COMP_BUF模塊會把比較器匯流排連結至數位區塊，再從這裡連結至電源電路。由於不會直接連結到控制電路，所以會配合16位元PWM數位模塊的輸出端經過AND邏輯處理，以構成調光的功能元件，圖7與圖8的元件可配置在CY8CLED16，以建構出內含三通道的可調光輸出端的更複雜系統。

運用精準照明訊號調變(Precise Illumination Signal Modulation, PrISM)或PWM建置三個降壓轉換器及對三個通道進行調光，就能控制三通道LED系統的色彩，若運用8位元微控制器，並不容易達成完全混色作業，許多IC廠商都知道這點。如PSoC Express軟體工具已預先撰寫並驗證過混色程式碼，讓開發照明設計的工作變得簡單，能讓用戶利用各種介面功能與程式碼，僅須在圖形化使用者介面中以拖曳方式連結驅動器，就能連結各種系統周邊元件。

上述使用的是16位元解析度的調光技術，使用16位元的理由，是為在低光度下維持精準的色彩控制。在100%強度下，要精準的搭配，僅需8位元的解析度，若在1%的強度時，就需要14.6位元的解析度，EZ-Color在16位元解析度PWM的調光頻率是732Hz，超過肉眼能察覺的範圍，而這個調光頻率，可利用PWM把時脈頻率調至48MHz。

各種混合訊號微控制器，如EZ-Color被用來控制LED照明系統，因為其整合許多以往由ASIC負責的功能。EZ-Color藉由建置遞滯降壓轉換器，提供一個低成本的SMPS拓撲，以配合固定電流來驅動LED。整合式混合訊號解決方案，是各種照明設計的理想配套方案，不僅能降低許多元件的成本，還能簡化設計程序。