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    新聞導(dǎo)航

    Microchip dsPIC在LED照明的解決方案

    來源:m.inspiredbybeatriceclay.com 發(fā)布時(shí)間:2019-10-11 返回

     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(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)

      目前市場中有很多LED驅(qū)動(dòng)專用芯片,優(yōu)點(diǎn)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(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。

      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. 硬件成本相對低廉,協(xié)議簡單可靠。

      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DMX512的不足,本方案對原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.提供已通過測試的DMX512協(xié)議給客戶使用,縮短客戶對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,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、色溫等檢測接口,支持串口、I2C,CAN等通訊接口,為系統(tǒng)集成做好了鋪墊。