LED驅動器在模擬和數字中如何選擇

模擬或數字驅動器之間的選擇取決於應用要求。無論您選擇哪種路線，您都只是通過了許多決策點中的第一個。
　　不再將其降級為控制台或聖誕裝飾品上的簡單指示燈，LED正在徹底改變照明行業。它們的高效率，低實施成本和長使用壽命繼續取代現有的照明技術。此外，可用於LED開發的晶元和設計工具使得在各個行業的應用中利用這些器件成為可能。
　　對這項技術不熟悉的工程師面臨的挑戰是LED由模擬系統驅動，可以是相當的複雜。系統可以基於電流或電壓，並且需要高級補償以保持負載，顏色變化和串長度之間的一致性和效率。更複雜的設計是，來自不同製造運行的LED可能變化很大，需要對某些應用進行校準。
　　還有許多實現LED技術的方法，從用於燈泡更換的非常簡單的模擬驅動電路到高級基於數字MCU的舞台或街道照明系統，需要通過有線或無線通信鏈路進行自適應補償和遠程控制。然而，哪種實施是最佳的，取決於許多因素。本文將介紹基於LED的設計中一些更重要的元素及其對成本，功效和設計簡單性的影響。
　　模擬與數字
　　基本LED系統採用交流或直流輸入，並將其轉換為適當的直流電壓或電流，以驅動LED（參見圖1）。使用純模擬拓撲結構的最常見應用之一是更換燈泡，其中LED系統需要與其替換的產品一樣簡單。對於這樣的應用，不需要通信鏈路或內部智能等高級功能，使模擬方法成為理想選擇。
　　在數字系統中（見圖2），每個LED串由MCU使用脈衝寬度調製驅動（ PWM）。如果MCU可以提供足夠的電力，它可以直接驅動LED。對於驅動高亮度LED或LED串的系統，PWM驅動MOSFET執行實際功率切換。
　　LED驅動器在模擬和數字中如何選擇
　　圖1：LED系統的模擬實現。 （：德州儀器。經許可使用。）
　　開發人員可能面臨的一個問題是對LED技術缺乏了解。例如，從白熾燈到固態照明的燈具製造商通常不一定對電子產品有太多經驗。努力研究數字電源轉換演算法和電源設計的前景，特別是沒有內部電源專業知識，使得簡單的模擬方法具有吸引力。
　　LED驅動器在模擬和數字中如何選擇
　　圖2：LED系統的數字實現。 （：德州儀器。經許可使用。）
　　模擬系統的另一個優點是能夠集成更高電壓的元件。例如，與數字實現相比，可以減少系統中所需的MOSFET的總數。使用基於模擬的方法，簡單的反饋也不那麼複雜。數字系統需要ADC來測量基於軟體的補償演算法中使用的電流或電壓。對於模擬系統，反饋環路由誤差放大器組成，可調節LED上的工作電壓以匹配內部電壓基準。但是，從工程角度來看，最簡單的方法往往更加穩健，但不是始終對市場最具吸引力，或最具成本效益。與模擬系統相比，驅動LED的數字方法提供了更靈活的拓撲結構。例如，通過軟體配置的PWM可以可靠地驅動各種電壓和電流。這對於可能需要支持各種LED類型以滿足每個客戶的亮度要求的應用特別有用。例如，重新配置PWM和補償環路允許開發人員用700 mA的串替換350 mA的串，而無需更改基本系統設計。如果系統具有通信鏈路並支持遠程升級，則可以在已經部署在現場的系統中進行字元串替換。
　　採用數字方法的主要優點是MCU可以執行的不僅僅是電源管理功能驅動LED。與模擬方法相比，功率因數校正（PFC），溫度感測和通信等高級功能往往更具成本效益，更易於實施。系統需要的功能越多，數字方法就越有可能成為最佳選擇。此外，一旦轉向MCU，所有其他先進的數字功能都可用，從而可以更好地區分競爭產品。
　　顏色準確性：某些照明應用，如舞台照明，需要準確的混色。請注意，當需要保持特定或一致的陰影/強度的能力時，顏色準確度也適用於白色LED。固定偏移（例如，來自不同製造箱的LED可能執行不同且需要校準）和動態變化（例如，隨溫度變化而發生的色移）需要補償。
　　顏色混合：一些應用需要能夠混合LED以產生不同顏色的色調，例如用變幻的彩虹顏色洗牆的燈。 LED之間的動態協調和色彩準確性可能成為重要因素。
　　調光：使用模擬元件很難實現三端雙向可控硅調光。相比之下，MCU可以檢測調光器的前沿和后沿，從而大大簡化設計。
　　多個字元串：隨著字元串的長度和數量的增加，系統的總體功率需求也會增加。採用模擬方法，每對串需要一個變壓器，以及單獨的整流器（見圖3）。隨著字元串數量的增加，組件數也會增加。在某些時候，由於所需組件數量較少，轉向數字拓撲結構變得更加有利。
　　感測器：LED應用可能需要感知其環境有多種原因。例如，測量LED周圍的溫度可以進行高級色彩校正。運動感測器可實現智能控制。環境光感測器允許系統在不需要打開時自動關閉。在每種情況下，MCU都需要監控感測器，處理數據並決定如何採取行動。
　　許多系統都需要MCU來處理系統管理任務，感測以及通信介面。要問的關鍵問題是MCU是否也能有效地支持驅動器功能。實現數字LED控制可以像在同一MCU系列中指定更高性能的設備一樣簡單。同樣值得確認的是，MCU路線圖的設備具有足夠的性能，可以在下一代設計中引入先進的LED功能。但是，如果MCU是一個僅用於簡單系統管理的低端設備，它很可能將不具備驅動LED的實時性能。在這種情況下，可能需要完全不同的MCU系列來處理LED的驅動。為了降低該系統的成本，需要將低端MCU處理的功能遷移到更高性能的MCU，有效地需要對系統進行全面的重新設計。開發人員可能會發現使用基於模擬的拓撲結構將LED子系統與系統MCU分開實施更具成本效益並且更快地進入市場。
　　效率
　　模擬LED系統通常經過調整以提供最佳效果特定負載下的效率。當工程師開始使用模擬方法設計LED系統時，他們可以自由選擇負載。為了獲得最高效率，所選擇的負載應該是系統在大多數時間內運行的負載。對於燈光，這通常是最高亮度。這種方法的一個缺點是當光以不同的負載工作時，例如當光變暗時，效率也會降低。另一個缺點是，如果應用需要具有不同數量的LED的串的配置，則最佳負載值也會改變，需要重新設計模擬電路。使用數字方法，可以使用更複雜的驅動演算法來動態調整當前負載的驅動功率。這使得系統能夠以最佳方式運行 - 不僅在最佳負載下，而且在整個工作負載範圍內運行。
　　一些效率技術可用於通常不具備模擬組件形式的MCU。這種技術的一個例子是降壓PFC。出於各種原因，傳統工業照明應用的功率經歷了兩階段轉換過程。首先，120 VAC輸入升壓至400 VDC或更高。由於LED串在較低的電壓下工作，例如40 V，因此需要降低電壓。不幸的是，升高和降低電壓會導致不必要的損耗，從而降低效率。今天的MCU可以通過降壓PFC技術來繞過這些低效率，降壓PFC技術將輸入交流電壓直接轉換為所需的直流電壓。這不僅消除了DC/DC轉換階段，而且效率更高，並且使用更小的電容器功率因數校正
　　PFC是越來越多的應用所需的先進技術。功率本質上是電阻性的。驅動LED的電路利用諸如電感器和電容器之類的元件來改變提供給電路的功率分佈。實際上，傳輸線的尺寸必須大於電路中實際使用的電流。 PFC使LED及其電路看起來像電阻器，類似於白熾燈在傳輸線上的顯示方式，從而減少了對傳輸線尺寸的影響。
　　可用功率是公用事業公司非常關注的。例如，如果連接了PFC為1.0的設備，則可以使用100％的工廠電源。然而，當PFC為0.5時，只有一半的工廠電力可用作可用功率。換句話說，如果沒有在電子設備中實施PFC技術，公用事業公司將不得不建造更大的工廠以提供足夠的可用功率。
　　系統是否需要PFC可能是一個難以回答的問題，因為PFC不一定帶來為LED設備用戶帶來直接好處。這使得很難證明添加PFC的費用是合理的。為了幫助採用PFC，許多國家都在強制要求使用PFC。在美國，低瓦數住宅照明沒有PFC要求。對於商業照明，通常需要PFC。
　　通信
　　根據應用，開發人員可能會發現將通信鏈路集成到基於LED的照明系統中非常有用。鏈路可以是有線或無線的，並且可以作為系統智能和遠程控制的基礎。請注意，為了支持通信鏈路，系統將需要MCU來發送/接收數據並對其進行操作。該MCU也可能用於或不用於驅動LED對於插入插座的工業燈或家庭自動化照明等設備，電力線通信（PLC）技術利用家庭或工廠建築的現有電力基礎設施提供了強大的連接。對於適用於電池耗盡或不支持PLC的攜帶型設備的連接，ZigBee等無線技術可以提供成本和功耗有效的實施方案。如果LED系統是已經具有可以利用的網路連接的較大系統的一部分，則通信可以接管諸如I2C或SPI的處理器間介面。系統還可以具有USB等手動通信鏈路。在這種情況下，系統可以存儲性能數據，以供執行定期維護的技術人員定期手動下載。
　　某些應用程序可能還需要支持協議層。例如，DALI和DMX512使開發人員能夠構建與現有控制系統兼容的照明設備。其他系統可能收集由於各種原因有用的性能統計數據。例如，系統可以存儲它控制的每個燈串的統計數據。當燈光燒壞時，系統會觸發維護警報。更先進的系統可以跟蹤每盞燈的工作溫度以及燈的亮度，以預測燈何時發生故障，從而可以進行搶先維護。
　　自我監控功能對於廣泛的範圍變得越來越重要商業和工業應用。例如，城市支付固定費用來操作路燈，無論燈實際消耗多少電量。如果每個路燈都有自己的儀錶，城市可以根據測量的使用量進行支付，從而節省大量的運營成本。隨著時間的推移，這些節省將抵消通信鏈路和管理基礎設施的額外成本。
　　選擇
　　無論您決定使用模擬還是數字，您都將擁有無數的組件選擇。過去，每個LED燈串都有自己的控制器。如今，模擬LED驅動器和數字控制器通過單個控制器驅動多個串，提供了更具成本效益的方法。
　　各種模擬LED驅動器相當廣泛，根據應用提供一系列功能。例如，德州儀器（TI）的TLC5960 LED驅動器可驅動多達8個通道，並使用智能余量電壓控制來優化每個串的正向電壓，從而使開發人員能夠適應由於分檔而產生的LED串之間的細微差別。 TLC5960還具有輸入，用於測量每個串的電流/電壓，並提供反饋以動態調整DC/DC轉換器的輸出，以維持通過串的恆定電流。
　　對於數字設計，TI為高級LED應用提供TMS320F2806x。該MCU是該公司Piccolo系列的一部分，提供集成的浮點處理，以支持PFC和PLC等功能。賽普拉斯半導體通過其PSoC系列微控制器提供LED設計的混合方法。 PSoC架構中的可重編程模擬和數字模塊允許開發人員在硬體中實現驅動器功能，以最大限度地提高性能和解析度。
　　開發人員還可以訪問評估工具包以加速產品設計和開發。開發套件為LED技術的新工程師提供了快速評估拓撲和組件的方法。例如，TI的Piccolo Multi-DC-DC彩色LED套件向開發人員介紹了使用彩色LED進行設計（參見圖4）。或者，TI的UCC28810-EVM003驅動多個LED串，並向開發人員展示如何有效地擴展設計的磁性。該套件不是具有需要單獨調節以實現一致照明的多個DC/DC轉換器，而是使用具有次級繞組的變壓器以減少元件數量。此外，對LED設計不熟悉的開發人員可以使用TI的controlSUITE等強大的設計工具。開發人員可以快速配置多個LED串，調整控制環路頻率，並調整性能，而無需編寫單行代碼。
　　在做出選擇之前，可能需要花時間探索幾種可用的選項。例如，Microchip提供了基於不同拓撲結構的各種演示板 - 包括帶有電荷泵，升壓調節器，SEPIC穩壓器或PWM控制器的驅動LED - 這些都強調了系統構建的一些不同方式（參見圖5） ）。開發人員還可以依賴供應商提供的參考設計。雖然這些設計針對特定應用，但它們可以作為有用的學習指南，因為每個參考設計都具有一些優化的特性，例如效率或智能控制。
　　LED技術的進步將繼續挑戰我們的關於我們如何使用它們以及在什麼應用中使用的先入為主的概念，以及我們如何使用它們進行設計。通過採用新的設計拓撲結構，製造商可以利用領先的LED技術設計出更高效，更具成本效益的照明系統。