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　方案介紹

　　Microchip 公司的dsPIC33F系列是高性能16 位數字信號控制器(DSC)，采用改進(jìn)型哈佛架構和C 編譯器優(yōu)化指令集，具有16 位寬數據總線(xiàn)和24 位寬指令，3.0-3.6V 時(shí)的工作速度達40MIPS,在LED驅動(dòng)系統應用中，可以很方便實(shí)現多路開(kāi)關(guān)電源(SMPS)和其它數字電源轉換器如AC/DC轉換器，DC/DC轉換器，功率因素修正(PFC)，恒流檢測等功能， 本文就重點(diǎn)介紹利用dsPIC33 MCU實(shí)現LED電源，驅動(dòng)，調光，通訊等一系列應用，下面逐一將設計思路呈現個(gè)大家。

　　電源部分設計

　　LED的壽命最終取決于對流經(jīng)LED的電源的處理，目前由于對成本的追求，很多LED燈具廠(chǎng)家還在使用阻容降壓方式的電源給LED供電，這對LED性能造成很大的傷害，其產(chǎn)品性能也大打折扣;另外由于世界各國及地區的電力環(huán)境不同，民用電壓也存在差異，各國電器的電壓適用范圍也不同，高品質(zhì)LED燈具廠(chǎng)在制作LED電源時(shí)，都會(huì )采用數字電源方式以使LED能夠獲得最干凈的電源，延長(cháng)LED的工作壽命。

　　dsPIC33F “GS”系列數字電源DSC可全面支持數字控制環(huán)路，因為它們均配備4至8個(gè)分辨率為1納秒(ns)的PWM,多達4個(gè)20ns的比較器以及1或2個(gè)采樣率為2 - 4 MSPS、具有低延遲及高分辨率控制的10位片上ADC,而每個(gè)比較器對應有1個(gè)集成的數模轉換器(DAC)。這些器件采用18至44引腳，具有6至16 KB閃存。這些器件的交互式外設既可將處理器的干預減至最低，又能滿(mǎn)足高速電流模式控制的實(shí)時(shí)需求。

　　首先將差異性較大的民用交流電轉化為直流電壓，在此過(guò)程中通過(guò)K1、K2、K3采集外界電壓變化，由dsPIC33 PWM控制輸出電壓大小，保證輸出電壓的穩定性，適用于各種電壓范圍，大大降低了因為民用電壓不同而需要生產(chǎn)不同型號LED燈具的困擾。

　　然后dsPIC33產(chǎn)生的SPWM驅動(dòng)全橋電路，產(chǎn)生交流電壓，通過(guò)互感器檢測波形，經(jīng)變壓隔離后，再進(jìn)行PFC調整輸出安全穩定的直流電壓供后續處理供LED使用。

　　典型的BUCK電路，通過(guò)PWM波形和AD組成的閉環(huán)電路，有效的控制輸出穩定性，特別指出在該方案中對續流二極管的處理，既增加了系統穩定性，也降低了功耗。

　　LED驅動(dòng)部分設計

　　目前市場(chǎng)中有很多LED驅動(dòng)專(zhuān)用芯片，優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，體積小，成本低，但是這種電路也有其無(wú)法克服的缺點(diǎn)，如：設計單一，智能水平低，驅動(dòng)電流小，無(wú)法做升壓電路，無(wú)法量化輸出等。

　　dsPIC系列MCU,配備4至8個(gè)分辨率為1納秒(ns)的PWM和采樣率為2 - 4 MSPS的10位AD,通過(guò)MCU PWM控制MOS對流經(jīng)LED的電流進(jìn)行控制，高分辨率可以讓輸出電流電壓做到精細化調整，AD采集實(shí)時(shí)電流，量化輸出，對LED的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，PWM與AD構成閉環(huán)控制，最大程度穩定LED的工作狀態(tài)，縮小由于LED自身差異性造成的不穩定性。

　　Boost升壓恒流過(guò)程要分充電和放電兩個(gè)部分來(lái)說(shuō)明這個(gè)電路。

　　充電過(guò)程

　　在充電過(guò)程中，開(kāi)關(guān)閉合(MOS管導通)，等效電路如圖二，開(kāi)關(guān)(MOS管)處用導線(xiàn)代替。這時(shí)，輸入電壓流過(guò)電感。二極管防止電容對地放電。由于輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線(xiàn)性增加，這個(gè)比率跟電感大小有關(guān)。隨著(zhù)電感電流增加，電感里儲存了一些能量。

　　放電過(guò)程

　　當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)(MOS管截止)時(shí)的等效電路。當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)(MOS管截止)時(shí)，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會(huì )馬上變?yōu)?,而是緩慢的由充電完畢時(shí)的值變?yōu)?.而原來(lái)的電路已斷開(kāi)，于是電感只能通過(guò)新電路放電，即電感開(kāi)始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時(shí)電壓已經(jīng)高于輸入電壓了。升壓完畢。

　　恒流過(guò)程

　　在輸出負載端加入一個(gè)采樣電阻，將負載兩端電流情況通過(guò)AD,反饋給MCU處理，調整輸出PWM占空比，實(shí)現恒流處理。

　　調光系統設計

　　LED調光決方案及規范一直在不斷變化，直到現在還未固定下來(lái)，所以現在市場(chǎng)上存在PWM、模擬及可控硅(TRAIC)三種調光方案。三種方案中模擬調光較為簡(jiǎn)單，實(shí)現比較容易。模擬調光方案的缺點(diǎn)是，LED電流的調節范圍局限在某個(gè)最大值至該最大值的約10%之間(10:1調光范圍)，由于LED的色譜與電流有關(guān)，因此這種方法并不適合于某些應用?？煽毓?TRAIC)調光方案是目前市場(chǎng)中比較常用的方案，它是基于傳統光源如白熾燈的一種調光方案，其優(yōu)點(diǎn)在于不需要改變現有房間布線(xiàn)，施工簡(jiǎn)單，通用性比較強，但是其本身是利用犧牲功率因數和增加了電路的復雜性為代價(jià)，而且可控硅(TRAIC)調光也不可以實(shí)現無(wú)極調光，當可控硅的導通角低到一定程度時(shí)，燈具就會(huì )出現閃爍，這是其方案原理決定的。PWM調光是調光市場(chǎng)的主流方案，其優(yōu)點(diǎn)如下：

　　1、用PWM調光從零到最光，都不會(huì )有閃爍的現象。

　　2、性能會(huì )更好。因為調光輸出功率采用了功率因數校正電路，這是配合全球對燈光采用功率因數有強制性的要求，雖然一般從25W開(kāi)始有這要求，但美國要求燈光從零瓦起已需強制性功率因數校正電路。如采用TRAIC調光將犧牲功率因數和增加了電路的復雜性。因此，采用PWM調光可以提供最好性能的選擇，也是未來(lái)的趨勢。

　　3、成本會(huì )更好。用PWM調整占空比，不需要太多額外的控制電路成本。

　　4、不管調光程度有多大，允許LED一直在優(yōu)化的和恒定的電流下工組。

　　5、在整個(gè)調光范圍內LED顏色色調保持一致(顏色色調像流明輸出一樣隨LED工作電流而變化)。

　　dsPIC MCU在系統設計過(guò)程中就是采用PWM調光方式。dsPIC MCU配備有4到8通道PWM,可輕松實(shí)現RGB真彩調光，配合10位片上ADC,管理和檢測每一組燈的實(shí)時(shí)運行情況，達到更優(yōu)的工作效果。

　　通訊系統設計

　　0-10V,DALI,DMX512是目前LED照明系統中常用的三種通訊方式，DMX512由于其數據傳輸高效性和傳輸距離遠特點(diǎn)，逐漸成為主流方案。

　　DMX512協(xié)議是Digital Multiplex的縮寫(xiě)，是由美國劇場(chǎng)技術(shù)協(xié)會(huì )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是調光和燈光控制臺數據傳輸 標準是燈光行業(yè)數字化設備的通用信號控制協(xié)議，同時(shí)也是是一種國際協(xié)議。

　　DMX512的優(yōu)點(diǎn)：

　　1. 硬件成本相對低廉，協(xié)議簡(jiǎn)單可靠。

　　2. 信號管道為總線(xiàn)型拓撲結構，一個(gè)終端的失效不會(huì )影響其它終端的正常工作，系統穩定性高。

　　3. 差分電平工作方式，傳輸距離遠，更適合離散分布的燈具。

　　4. 協(xié)議為國際通用協(xié)議，兼容性好。

　　5. 控制靈活方便，深得原傳統舞臺燈光從業(yè)者青睞。

　　DMX512的不足：

　　1.總線(xiàn)結構使得DMX設備終端數有所限制，一般為32個(gè)，需要加信號分配器。

　　2.總線(xiàn)結構決定了必須通過(guò)地址來(lái)區別不同的設備終端，設定地址顯得不太方便。

　　3.如果不作擴展512個(gè)數據通道難以滿(mǎn)足LED燈具的控制要求。

　　4.編程比較復雜，只適合較為專(zhuān)業(yè)的燈光從業(yè)人員或專(zhuān)業(yè)人士使用。

　　針對DMX512的不足，本方案對原DMX512協(xié)議進(jìn)行了一定程度的擴展，很好的解決了其不足：

　　1.通過(guò)加串行信號放大器的方式避免原來(lái)星形的信號分配器的方式，大大降低工程布線(xiàn)難度。

　　2.提供已通過(guò)測試的DMX512協(xié)議給客戶(hù)使用，縮短客戶(hù)對DMX512熟悉時(shí)間，加快開(kāi)發(fā)周期。

　　dsPIC33方案除了提供DMX512通訊方式外，由于MCU的通用性，其外設還支持紅外接口和RF接口，實(shí)現無(wú)線(xiàn)控制方式，增加產(chǎn)品的賣(mài)點(diǎn);同時(shí)也可以使用內部帶CAN的dsPIC33芯片，將LED燈與汽車(chē)產(chǎn)品連接，如汽車(chē)儀表盤(pán)背景燈，閱讀燈等，增加產(chǎn)品類(lèi)型。

　　結論

　　基于dsPIC33 LED驅動(dòng)單芯片解決方案，將電源控制及系統管理合二為一，降低了硬件設計的復雜程度，同時(shí)又兼顧了驅動(dòng)輸出路數設計的靈活性，可通過(guò)改變控制芯片外圍的存儲器中的內容，實(shí)現對LED電流大小、亮滅時(shí)間、亮滅模式、環(huán)境亮度及系統溫度等控制參數的定制，還可通過(guò)MCU的通訊接口對系統進(jìn)行遠距離調光控制和無(wú)線(xiàn)控制?；赿sPIC33 LED驅動(dòng)單芯片解決方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　低成本--單芯片解決多路恒流控制，省去專(zhuān)用的恒流芯片，有效地降低了系統成本。

　　高效率--非隔離開(kāi)關(guān)電源，沒(méi)有變壓器的漏磁損耗，轉換效率高，系統滿(mǎn)載時(shí)整體效率高達95%.

　　驅動(dòng)能力強--最多可以支持8路非隔離恒流驅動(dòng)輸出，可驅動(dòng)8串(每串不少于14個(gè))LED,總輸出功率不低于100W.

　　控制靈活--采用高性能DSC作為控制核心，可充分發(fā)揮MCU實(shí)時(shí)控制功能的優(yōu)勢，每路LED的電流大小、亮滅方式等均可獨立控制。

　　擴展性好--配置溫度、亮度、色溫等檢測接口，支持串口、I2C,CAN等通訊接口，為系統集成做好了鋪墊。