【技術(shù)文章】基于PWM調(diào)光模式的白光LED驅(qū)動器設(shè)計(jì)研究

原文：《Research on White-light Led Driver Design Based on PWM Dimming Mode》

作者：LI Xiangbing, WANG Tan, WANG Chuncai, ZHAO Xiaoru and PENG Li

編譯：趙晨堯 郭雨欣

指導(dǎo)：林燕丹

簡介：隨著LED技術(shù)在汽車車燈中的廣泛應(yīng)用，電子產(chǎn)品的比例越來越高。由于LED可以實(shí)現(xiàn)更多的功能，因此基于人類情感的圖像自動化和高度智能等技術(shù)每天都在如雨后春筍般涌現(xiàn)。從概念的角度來看，與LED技術(shù)集成的汽車燈不侭考慮了LED的使用壽命及其可靠性，還考慮了LED驅(qū)動器的使用壽命及其可靠性。長時間照明后，諸如色散或均勻性惡化等缺陷總是會出現(xiàn)。為了消除這些缺陷，PWM技術(shù)被認(rèn)為是這方面的蕞佳方法。本文介紹了基于PWM調(diào)光模式的白光LED驅(qū)動器設(shè)計(jì)，使讀者對PWM技術(shù)有更好的了解。

---LED驅(qū)動器---
一般LED驅(qū)動器的P原則要求
（1）高效電源，電源需要是恒流LED驅(qū)動器，具有更高的精度，簡單的i集成電路結(jié)構(gòu)，更小的尺寸，更大的容量和更高的能量對流。
（2）F或多功能結(jié)構(gòu)，LED驅(qū)動器需要具有具有更好線性度的調(diào)光功能。
（3）在打開/關(guān)閉過程中，需要從兩個電池點(diǎn)打開/關(guān)閉LED，而不會出現(xiàn)閃爍問題。

---PWM調(diào)光原理---
由于亮度和占空比之間的線性度及佳，如果我們輸入恒定的占空比，可以保證LED顏色和亮度的穩(wěn)定性，這是PWM調(diào)光技術(shù)的突出優(yōu)勢。 
PWM 調(diào)光是通過方波通過調(diào)整正向接通時間的正向?qū)?LED 實(shí)現(xiàn)的。從理論上講，如果我們使用LED調(diào)光技術(shù)，LED總是會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，但是，由于人眼對閃爍現(xiàn)象的敏感性差，也就是說，如果閃爍頻率高于100Hz，我們只能看到除閃爍現(xiàn)象以外的平均亮度。除此之外，對于頻率高于100 Hz的閃爍現(xiàn)象，對亮度的感知總是累積效應(yīng)，也就是說，在一個周期內(nèi)，如果接通時間的比例更大，人眼會感知到LED的亮度越高。遵循這一原理，如果我們在一個周期內(nèi)調(diào)整LED輸入電流的持續(xù)時間，即占空比，就可以實(shí)現(xiàn)LED亮度的調(diào)整。 
實(shí)現(xiàn)LED調(diào)光技術(shù)的具體方法是引入MOS晶體管或直接驅(qū)動LED，通過設(shè)置不同的占空比來改變亮度。
 

圖1. 調(diào)光原理圖解

表1. 調(diào)光的不同方式及優(yōu)缺點(diǎn)
 

---PWM驅(qū)動的典型白光LED電路---
（1）PWM直接驅(qū)動
如圖2所示，PWM信號直接驅(qū)動LED D2。如果PWM信號直接來自微控制器端子，由于電流輸入的容量相對較低（總是幾十mA），電路只能驅(qū)動功率較小的LED，如位置燈或內(nèi)部照明或環(huán)境燈。如果電路使用中等功率LED，則PWM的信號可以通過線性電路獲得。在此背景下，由于PWM精度差，將出現(xiàn)不穩(wěn)定的彩色圖像和均勻性。
 
圖2 PWM直接驅(qū)動LED
（2）通過晶體管（或MOS）驅(qū)動
如圖3所示，與直接連接LED的電路相比，通過引入MOS對LED亮度的調(diào)節(jié)范圍會更寬。在電路中，MOS晶體管的位置始終位于LED的負(fù)極，正端始終與穩(wěn)定的電源連接。這種方式始終在電路與多串聯(lián)的情況下使用，以確保所有LED的一致性。本電路中，PWM信號可以來自外部環(huán)境（例如，通過改變環(huán)境亮度來調(diào)節(jié)汽車燈的亮度），或者引入開關(guān)電源或線性電源，以相對較高的精度保證顏色的穩(wěn)定性和均勻性。
 
圖3 MOS晶體管驅(qū)動
（3）單片機(jī)調(diào)光
如圖4所示，亮度調(diào)節(jié)直接通過DC-DC開關(guān)模式電源或微控制器實(shí)現(xiàn)。首先，microcontroller和LED之間有很多連接方式，通過侭使用一個輸出通道來控制所有LED，或者通過使用每個通道來控制每個串聯(lián)LED（對于具有許多串聯(lián)LED的TOP結(jié)構(gòu)）。LED調(diào)節(jié)器在整個電路中起到功率補(bǔ)償?shù)淖饔茫ＷCLED驅(qū)動器和調(diào)節(jié)器之間的電壓可以等于LED的工作電壓。
  
圖4 微控制器驅(qū)動

---白光LED驅(qū)動器實(shí)例---
（1）設(shè)計(jì)要求及主要組織
在這個項(xiàng)目中，需要實(shí)現(xiàn)三個功能（位置，DRL和方向指示器）。其中位置和DRL通過雙功能和單光源實(shí)現(xiàn)，這是一種PWM調(diào)光技術(shù)，以確保亮度的穩(wěn)定性和相關(guān)色溫滿足5500+/-100k的要求。
 
圖5 DRL/位置示意圖
（2）LED Micro-控制器
為了滿足上述要求，我們選擇MCP19114/5作為微控制器，這是一款數(shù)字增強(qiáng)型功率模擬器控制器，具有電壓加速，電壓降低，加速度降低和SEPIC等多TOP模式，內(nèi)部時鐘可以達(dá)到8M Hz，PWM可以保證+/-1%的精度。
（3）電路概念及原理
LED驅(qū)動器是整個電路的柇心部分。本項(xiàng)目LED驅(qū)動器的主要功能包括：與車輛輸出信號匹配、邏輯控制三大功能、PWM信號及輸出、熱管理、電子磁兼容管理等，避免微控制器過熱，電路可實(shí)現(xiàn)LED在150°C環(huán)境溫度下自動關(guān)斷。
 
圖6  LED驅(qū)動板和LED板原理圖

---原型的M制造和測試---
（1）LED驅(qū)動器制作
在綜合了LED驅(qū)動器的概念要求和設(shè)置參數(shù)后，我們研究了集成電路并制造了以下原型。PCB的布局由兩層實(shí)現(xiàn)。在PCB布局后完成仿真。我們在 LED驅(qū)動板上增加了保護(hù)屏蔽，以增強(qiáng)抗干擾等級。 如圖7所示。
   
圖7 發(fā)光二極管驅(qū)動器示例
（2）基于PWM頻率的調(diào)試
在正常連接下，測試DRL在工作時的工作頻率，測試結(jié)果顯示頻率為300KHz，符合預(yù)設(shè)結(jié)果。
 
圖8 PWM調(diào)試頻率
（4）不同溫度和電壓下的C測量
根據(jù)測試條件，在-40°c、23°c、85°c和9V、12V、14V和16V的電壓條件下進(jìn)行電流測試，表明所有LED電流的電流可以保持在300Ma，并且沒有閃爍現(xiàn)象或異常關(guān)斷，表明恒定輸出可以滿足規(guī)格。
（5）電磁兼容測試結(jié)果

按照PSA集團(tuán)B21 7110規(guī)范，完成了30項(xiàng)EMC測試，包括電子磁輻射，電子抗磁，靜態(tài)電子放電，電子性能。測試過程中無閃現(xiàn)象、無異常關(guān)斷的結(jié)果表明，EMC性能可以滿足基本要求。

---結(jié)論--
本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了基于MCP19114/5的LED驅(qū)動電路，實(shí)現(xiàn)了DRL/位置/方向指示器的功能，并完成了樣機(jī)。測試結(jié)果顯示，LED驅(qū)動器可以正常工作。