Microchip dsPIC在LED照明的解决方案

　　方案介绍

　　Microchip 公司的dsPIC33F系列是高性能16 位数字信号控制器（DSC），采用改进型哈佛架构和C 编译器优化指令集，具有16 位宽数据总线和24 位宽指令，3.0-3.6V 时的工作速度达40MIPS,在LED驱动系统应用中，可以很方便实现多路开关电源（SMPS）和其它数字电源转换器如AC/DC转换器，DC/DC转换器，功率因素修正（PFC），恒流检测等功能， 本文就重点介绍利用dsPIC33 MCU实现LED电源，驱动，调光，通讯等一系列应用，下面逐一将设计思路呈现个大家。

　　电源部分设计

　　LED的寿命最终取决于对流经LED的电源的处理，目前由于对成本的追求，很多LED灯具厂家还在使用阻容降压方式的电源给LED供电，这对LED性能造成很大的伤害，其产品性能也大打折扣；另外由于世界各国及地区的电力环境不同，民用电压也存在差异，各国电器的电压适用范围也不同，高品质LED灯具厂在制作LED电源时，都会采用数字电源方式以使LED能够获得最干净的电源，延长LED的工作寿命。

　　dsPIC33F “GS”系列数字电源DSC可全面支持数字控制环路，因为它们均配备4至8个分辨率为1纳秒（ns）的PWM,多达4个20ns的比较器以及1或2个采样率为2 - 4 MSPS、具有低延迟及高分辨率控制的10位片上ADC,而每个比较器对应有1个集成的数模转换器（DAC）。这些器件采用18至44引脚，具有6至16 KB闪存。这些器件的交互式外设既可将处理器的干预减至最低，又能满足高速电流模式控制的实时需求。

　　首先将差异性较大的民用交流电转化为直流电压，在此过程中通过K1、K2、K3采集外界电压变化，由dsPIC33 PWM控制输出电压大小，保证输出电压的稳定性，适用于各种电压范围，大大降低了因为民用电压不同而需要生产不同型号LED灯具的困扰。

　　然后dsPIC33产生的SPWM驱动全桥电路，产生交流电压，通过互感器检测波形，经变压隔离后，再进行PFC调整输出安全稳定的直流电压供后续处理供LED使用。

　　典型的BUCK电路，通过PWM波形和AD组成的闭环电路，有效的控制输出稳定性，特别指出在该方案中对续流二极管的处理，既增加了系统稳定性，也降低了功耗。

　　LED驱动部分设计

　　目前市场中有很多LED驱动专用芯片，优点是电路简单，体积小，成本低，但是这种电路也有其无法克服的缺点，如：设计单一，智能水平低，驱动电流小，无法做升压电路，无法量化输出等。

　　dsPIC系列MCU,配备4至8个分辨率为1纳秒（ns）的PWM和采样率为2 - 4 MSPS的10位AD,通过MCU PWM控制MOS对流经LED的电流进行控制，高分辨率可以让输出电流电压做到精细化调整，AD采集实时电流，量化输出，对LED的工作状态进行实时监控，PWM与AD构成闭环控制，最大程度稳定LED的工作状态，缩小由于LED自身差异性造成的不稳定性。

　　Boost升压恒流过程要分充电和放电两个部分来说明这个电路。

　　充电过程

　　在充电过程中，开关闭合（MOS管导通），等效电路如图二，开关（MOS管）处用导线代替。这时，输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。

　　放电过程

　　当开关断开（MOS管截止）时的等效电路。当开关断开（MOS管截止）时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0,而是缓慢的由充电完毕时的值变为0.而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了。升压完毕。

　　恒流过程

　　在输出负载端加入一个采样电阻，将负载两端电流情况通过AD,反馈给MCU处理，调整输出PWM占空比，实现恒流处理。

　　调光系统设计

　　LED调光决方案及规范一直在不断变化，直到现在还未固定下来，所以现在市场上存在PWM、模拟及可控硅（TRAIC）三种调光方案。三种方案中模拟调光较为简单，实现比较容易。模拟调光方案的缺点是，LED电流的调节范围局限在某个最大值至该最大值的约10%之间（10:1调光范围），由于LED的色谱与电流有关，因此这种方法并不适合于某些应用。可控硅（TRAIC）调光方案是目前市场中比较常用的方案，它是基于传统光源如白炽灯的一种调光方案，其优点在于不需要改变现有房间布线，施工简单，通用性比较强，但是其本身是利用牺牲功率因数和增加了电路的复杂性为代价，而且可控硅（TRAIC）调光也不可以实现无极调光，当可控硅的导通角低到一定程度时，灯具就会出现闪烁，这是其方案原理决定的。PWM调光是调光市场的主流方案，其优点如下：

　　1、用PWM调光从零到最光，都不会有闪烁的现象。

　　2、性能会更好。因为调光输出功率采用了功率因数校正电路，这是配合全球对灯光采用功率因数有强制性的要求，虽然一般从25W开始有这要求，但美国要求灯光从零瓦起已需强制性功率因数校正电路。如采用TRAIC调光将牺牲功率因数和增加了电路的复杂性。因此，采用PWM调光可以提供最好性能的选择，也是未来的趋势。

　　3、成本会更好。用PWM调整占空比，不需要太多额外的控制电路成本。

　　4、不管调光程度有多大，允许LED一直在优化的和恒定的电流下工组。

　　5、在整个调光范围内LED颜色色调保持一致（颜色色调像流明输出一样随LED工作电流而变化）。

　　dsPIC MCU在系统设计过程中就是采用PWM调光方式。dsPIC MCU配备有4到8通道PWM,可轻松实现RGB真彩调光，配合10位片上ADC,管理和检测每一组灯的实时运行情况，达到更优的工作效果。

　　通讯系统设计

　　0-10V,DALI,DMX512是目前LED照明系统中常用的三种通讯方式，DMX512由于其数据传输高效性和传输距离远特点，逐渐成为主流方案。

　　DMX512协议是Digital Multiplex的缩写，是由美国剧场技术协会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是调光和灯光控制台数据传输 标准是灯光行业数字化设备的通用信号控制协议，同时也是是一种国际协议。

　　DMX512的优点：

　　1. 硬件成本相对低廉，协议简单可靠。

　　2. 信号管道为总线型拓扑结构，一个终端的失效不会影响其它终端的正常工作，系统稳定性高。

　　3. 差分电平工作方式，传输距离远，更适合离散分布的灯具。

　　4. 协议为国际通用协议，兼容性好。

　　5. 控制灵活方便，深得原传统舞台灯光从业者青睐。

　　DMX512的不足：

　　1.总线结构使得DMX设备终端数有所限制，一般为32个，需要加信号分配器。

　　2.总线结构决定了必须通过地址来区别不同的设备终端，设定地址显得不太方便。

　　3.如果不作扩展512个数据通道难以满足LED灯具的控制要求。

　　4.编程比较复杂，只适合较为专业的灯光从业人员或专业人士使用。

　　针对DMX512的不足，本方案对原DMX512协议进行了一定程度的扩展，很好的解决了其不足：

　　1.通过加串行信号放大器的方式避免原来星形的信号分配器的方式，大大降低工程布线难度。

　　2.提供已通过测试的DMX512协议给客户使用，缩短客户对DMX512熟悉时间，加快开发周期。

　　dsPIC33方案除了提供DMX512通讯方式外，由于MCU的通用性，其外设还支持红外接口和RF接口，实现无线控制方式，增加产品的卖点；同时也可以使用内部带CAN的dsPIC33芯片，将LED灯与汽车产品连接，如汽车仪表盘背景灯，阅读灯等，增加产品类型。

　　结论

　　基于dsPIC33 LED驱动单芯片解决方案，将电源控制及系统管理合二为一，降低了硬件设计的复杂程度，同时又兼顾了驱动输出路数设计的灵活性，可通过改变控制芯片外围的存储器中的内容，实现对LED电流大小、亮灭时间、亮灭模式、环境亮度及系统温度等控制参数的定制，还可通过MCU的通讯接口对系统进行远距离调光控制和无线控制。基于dsPIC33 LED驱动单芯片解决方案具有以下优点：

　　低成本--单芯片解决多路恒流控制，省去专用的恒流芯片，有效地降低了系统成本。

　　高效率--非隔离开关电源，没有变压器的漏磁损耗，转换效率高，系统满载时整体效率高达95%.

　　驱动能力强--最多可以支持8路非隔离恒流驱动输出，可驱动8串（每串不少于14个）LED,总输出功率不低于100W.

　　控制灵活--采用高性能DSC作为控制核心，可充分发挥MCU实时控制功能的优势，每路LED的电流大小、亮灭方式等均可独立控制。

　　扩展性好--配置温度、亮度、色温等检测接口，支持串口、I2C,CAN等通讯接口，为系统集成做好了铺垫。