基于PIC微控制器為控制單元的LED驅動電路設計

一、引言近年來，隨著半導體技術的不斷發展，LED 作為一種供電電壓低，功耗小，壽命長，無輻射的新型光源，應用領域日益擴大，完全可望取代傳統的白熾燈和日光燈燈泡，成為固態照明的關鍵光源。許多固態照明應用常采用智能控制電路系統來驅動 LED 以履行各種功能和任務，譬如為確保流經 LED 的電流不受供電電壓波動的影響維持恒定，從而使 LED 的亮度無明顯變化的亮度調節就是控制電路系統的任務之一。亮度調節涉及電流調整與調光控制。控制電路系統的另一任務是失效識別。因 LED 具有很強的溫度相關性，大多失效又與溫度有關，故控制電路系統應能履行溫度補償。此外，通過硬件選擇以適應不同亮度 LED組合的驅動也極必要。一塊芯片上可集成全部必要硬件功能的 PIC 微控制器，由于價格低廉，時鐘頻率高達 20MHz，功耗極低和工作溫度范圍寬等特點，非常適合作 LED 的驅動控制電路。本文即討論以 PIC微控制器為控制單元設計 LED驅動控制電路的一些考慮。二、PIC 微控制器 PIC 即可編程中斷控制器（Programmable Interrupt Controller），一類可利用電或紫外光擦除與重寫的多功能集成器件。圖 1 為微芯（Microchip）公司 PIC 微控制器典型的功能框圖。

采用PIC微控制器作LED驅動控制電路系統的核心，需要用到其中幾個完整模塊和把一些管腳設定為模擬輸入。模擬電壓通過A/D模塊轉換為數字量。被轉換的信號由軟件選定直接發送給A/D模塊。模塊的恒定基準電壓可通過輸入管腳外部施加，也可通過內部的基準電壓模塊施加。若采用后者，則 PIC 的電源電壓應通過電壓調控器保持恒定。控制器編程不需要許多硬件，簡單的編程器件通過搜尋 www.ic-prog.com 上的實例即可建立。控制器中產生可執行匯編程序的軟件都能免費下載。 PIC推薦使用處理方便和允許更改的C編譯器，程序可采用模塊化設計思路。以主程序為核心設置功能模塊子程序，簡化設計結構。運行過程中通過主程序調用各功能模塊子程序，進行循環控制即可滿足要求。三、LED 的配置設計LED 驅動電路必須考慮 LED 的配置。原則上， LED有三種可能配置：整個電路以電阻構成陣列連接，每個LED與電阻串聯或與電阻構成陣列連接。圖 2 為以每個LED一個電阻構成的LED列陣連接。圖中每個LED擁有各自的電阻，這些電阻可作調節二極管電流的基準電阻用。

譬如，若某個LED 失效，則非串聯情況下的其余 LED 仍繼續運作，但由于總電流可在剩余的三條通路中分配，故失效將導致并聯二極管中的電流增多，引起亮度的不均勻分布，不過亮度的損失根本上可由與失效器件同一通路中其余LED的電流增加得到補償。四、驅動器的控制功能 ① 調光調光是驅動器控制最基本的功能，通過調光產生不同的 LED 亮度等級。采用脈寬調制（PWM：pulse width modulation）是解決調光的簡單辦法。PWM 信號實際上就是周期切換直流電壓的通斷，故利用微處理器內置的 PWM 模塊即可方便設定和控制 PWM 信號。如果周期維持不便，亮度則可以利用脈沖的持續長度，即占空比 D 來調節。采用 PWM 信號的優點是可以保持峰值電流恒定，從而可以防止由于峰值電流升高產生如諸如 InGaN 器件中波長移位之類的負作用。 ② 電流調整驅動器控制的第二個功能是應使 LED的亮度保持不變。為保證 LED亮度不變，則流經LED的電流必須恒定。這就要求各單個LED流經的電流都是確定的。為測定流經二極管的電流，每個二極管都要采用串聯電阻。通過測量電阻兩端的電壓可測出電阻流經的電流，因此便可確定流經LED的電流。電壓測量由 PIC 中電壓高達 5V ，并可與恒定基準電壓比較的A/D模塊執行。但A/D模塊不能直接連接到串聯電阻兩端，一方面這是因為電壓的電平可能遠高于5V，另外，就是PWM 信號必須首先轉換成直流信號。經過2次測量和隨后的相減會產生雙倍測量誤差。建議采用圖3所示消除雙倍測量誤差問題的電流測量電路。

采用該電路時，凡正輸入電壓與U1相接，負輸入電壓與U2相接。圖中U1和U2信號由RC元件轉換成直流信號再與運放連接。運放可利用各種電阻配置成減法器。就該電路而言，U1的直流電壓將從U2減去，A/D模塊測得的就是其差。這能使控制器對電流的變化做出反應。由于運算放大器具有非常高的輸入阻抗，故系統不會受測量電路影響。 ③ 溫度測量然而由于受溫度的影響，即使電流不變，亮度也會變化。圖4所示即亮度與溫度的相互關系：

為在整個極端溫度范圍內維持亮度恒定，必須采用溫度補償。考慮到環境溫度的測量應盡可能低廉，對二極管而言，補償精度要求不高，容差 5°C 已經足夠。下面給出兩種可能的溫度測量方法：采用溫度相關型電阻進行溫度測量首先選一個溫度相關型電阻與一個溫度不相關電阻串聯。通過A/D模塊測量電壓，溫度便能確定，控制器即可作出相應反應。該法的缺點是必須在PIC中以數值表形式保存電阻的響應曲線。利用門限定時器測量溫度該法利用了PIC門限定時器模塊的阻礙作用。門限定時器模塊由受內部 RC振蕩器調節的8位定時器組成。通常，定時器在后臺運行且常被微處理器重置，如果控制器因差錯或陷進死循環。就能重新回到設定狀態。但所用 RC 振蕩器應與溫度相關。如采用外部溫度補償的時鐘發生器，則可通過比較兩個時鐘發生器來確定溫度。利用門限定時器測量溫度不需要外部元件，只是 PIC 制造商不能保證門限定時器的溫度相關性。 ④ 故障識別當然， LED 不工作時，亮度調節就沒有用處。下面介紹一種檢測陣列中單個LED對總故障貢獻的方法。故障識別可以采用以前用于檢測電流的電路。LED總的故障就是導致通道中斷，因此造成串聯電阻無電流通過。由于昂貴的元件費用和所涉及裝備的限制，自然不可能對每個二極管都添加電流檢測電路。該問題此處采用了能使每個二極管都被選取并與測量電路相連的多路復用開關來解決。圖5所示為含三個二極管電路采用多路復用開關故障識別技術的描述。

多路開關可通過微控制器進行數字控制。為確定電流調節二極管流經的電流和幫助識別故障，每個 LED 都標有可供 PIC 選用的地址。 ⑤ 不同亮度組的調節由調節不同亮度組構成的驅動電路系統是一種附加選項。對于眾多 LED 來說，必須注意將同類型的 LED 分成各種不同亮度的組。亮度不同組的使用導致 LED 流經相同電流產生的亮度不同。亮度可用 PWM 信號調節。可編程的輸入/輸出引腳即為無須重新編配控制器的調節方法而提供。因各獨立的亮度組均由數字選定，故要區分所有數字標志的亮度組，必須有足夠多輸入引腳。例如，3 個輸入引腳，則可區分2 3 = 8 個亮度組。于是根據輸入引腳的組態（高或低），便可指定控制器輸入處的數目選定相應的亮度組，其亮度因此也可調節。圖 6 所示為 3 個輸入引腳可用 8 個不同亮度組的示例。根據電阻 R1X - R3X 的值、微控制器的輸入端將接收到大于 4V 的高電平信號或小于 1V 低電平信號，從而選定對應的亮度組。