低功率LED照明应用程序：电源管理技术.pdf

低功率LED 照明应用程序：电源管理技术 当控制照明应用程序中的一组LED，以确定可见光质量时，LED 光与电源之间的平衡便是一项基本规 范。由于电流源有限，整组LED 同时发光时，不可能在低功率应用程序中达到最大发光水平。为产生最 大光度，须从低功率电源处有效控制每组LED 的功耗。如果在规定时间和设定值范围内，仅对一排LED 供电，则要求电源管理技术。当达到所需光度时，交替的几排LED 应在视觉上不可见。 为在规定时间间隔内确定LED 的数量，须设定应用程序所需的可用功率和光度。须比较光度和正向电流 特性，从而选择具有所需亮度级的LED。当设定所需LED 的数量后，通过取LED 所需总电流和可用电流 的比值，便可确定在规定时间间隔内进行供电的LED 数量，如下所示： 一排LED 的数量=LED 所需总电流/可用总源电流 应调整一排LED 开启/关闭的频率，确保开启时间足以使一排LED 全部照明，且关闭时间由该排LED 开 始变暗前的时间决定。关闭时间限制其他排LED 的数量（可用通过时间间隔管理控制）。 这项技术可以低成本应用，通过时钟脉冲源、数字触发器控制数排LED，同时，通过带有简单开启/关闭 开关的OR 闸门检测启动条件。图1 是数字触发器配置控制四排LED 的方块图。 图1：采用触发器电路的LED 照明时间间隔 开启前，触发器处于无改变状态且要求启动脉冲，其至少须经历一次时钟周期，以便在时钟上升边缘通过 第一个触发器检测到该脉冲。启动信号周期须为瞬时，且不超过一个时钟周期，否则前两个触发器输出将 设定在同一时间；此外，由于源电流受限，照明应用程序将无法正常运转。采用这种配置，在每个时钟上 升边缘时开启一排LED，而肉眼看上去却如同同时打开所有LED 一样。 然而，这种应用太单调，缺乏设计灵活性。其仅具备开启或关闭状态。这种电路可能满足LCD 背光灯等 应用程序，但是，如果需要调暗或显示图案时，电路微控制器（MCU）能够实现最大的灵活性，且对方 案总成本的影响最小。该电路易于设计，仅需少量组件便可实现MCU 控制每排LED，还能检测调光控制 和模式选择的用户输入。 带有I/O 端口扩展器（例如微芯科技有限公司的MCP23018）的低成本且低引脚数8 位微控制器（例如微 芯科技有限公司的PIC10F 或PIC12F 系列），将实现低成本应用。当照明电路位于距离MCU 较远的位 置时，I/O 扩展器还可用于带动LED。 I/O 端口扩展器扩展微控制器的I/O 端口。在该应用程序中，MCU 通过I2C™协议控制I/O 扩展器端口， 驱动LED 开启或关闭，并且MCU 的I/O 引脚可通过按钮式开关检测用户输入，或借助内置模拟数字转换 器检测调光控制的电位水平。 I/O 扩展器带开漏或推挽输出配置。微控制器能够在3.3V 或更低电压下运行，因此，开漏输出I/O 扩展器 极其适用于该应用程序。其优点在于允许LED 在5V 或更高电压下运行，而微控制器和I/O 扩展器的在较 低电压下运行。MCP23018 是一个16 位I/O 端口扩展器，具有开漏输出和I2C 界面。图2 显示上拉至高 于MCU 电源电压的开漏输出I/O 扩展器电路图。 图2：采用I/O 端口扩展器基于照明方案的低成本微控制器 当I/O 端口设定值较低时，I/O 扩展器端口的电压是0V，电流正向偏置并开启LED。LED 偏置电阻根据 所需光度限制LED 电流，同时作为开漏输出的上拉电阻。 当I/O 扩展器输出端口设定值较高时，开漏输出关闭或I/O 扩展器端口高抗阻和电压通过上拉电阻上拉至 5V 。由于电流不流动，LED 将处于关闭状态。开漏输出配置的另一种优点是，当端口配置有高抗阻时， 由于寄生电容，将需要更长时间关闭LED。与采用上拉输出的类似应用程序相比，这可能会稍稍延长开 启下一排LED 的时间。 MCP23018 的16 个I/O 端口能够驱动高达16 个LED。当开启LED 时，电流量可能沉入I/O 端口，并能 够通过I/O 扩展器输出驱动进行限制。对于0.6V 最大电压，I/O 端口低电平电压规定值为8.5mA 电流。 如果电流高于8.5mA，低电平电压将成倍增加。最大绝对电流值为25mA 。 如果源电流限制值为5V/50mA，例如用户输入检测用微控制器、I/O 扩展器及电阻器的预估电流是 2mA，剩余可用电流可用于LED 照明。如果LED 在约10mA 电流时具有充分的光度，每排可控制四个 LED。在这个实例中，限流电阻器值约为440Ω 。 图1 所示计时可采用一个短MCU 指令代码复制。例如，若伪代码为1，主要子程序可无限循环。在