基于PWM的LED照明功率控制系統設計

發光二極管（LED）已迅速成為許多照明應用的首選。 LED制造商對效率和亮度的改進意味著從汽車前照燈到倉庫和工廠照明等應用幾乎沒有其他同等選擇。 LED相對于其他選項的一個重要優勢是其可控性，但這確實需要使用電子電路來充分利用該技術，而不會引入諸如閃爍或過熱等問題。

不僅僅是LED的有效控制是必要的，照明系統需要能夠自動響應環境光等條件的變化，以及可能通過網絡連接發出信號的要求變化。

傳感器靠近照明組件可以確定最合適的人工照明水平，以避免浪費電力的情況。在智能溫室，高棚照明和街道照明等應用中，LED可以在環境條件有利的情況下完全關閉，并隨著黑暗的增加逐漸上線。與此同時，遠離窗戶的倉庫角落等較暗的區域可以安全，高效地點亮。

原則上，LED提供的亮度易于控制。 LED的光輸出是正向電流的近似線性函數。為了提供一致的照明，LED需要恒定的驅動電流。所需的電流量不僅取決于LED，還取決于環境因素。通常，亮度 - 電流曲線增加。然而，電流的增加導致LED結溫升高。結溫過高會導致光輸出降低，整體效率降低。

提供給LED的電流并不總是保持在恒定水平。相反，高頻開關用于將平均電流脈沖輸出到接近恒定的水平。大多數LED照明設計采用脈沖寬度調制（PWM）來提供電流控制。

基于PWM的LED功率控制在目標亮度級別的常見配置是計算固定的關閉時間。然后，電路根據電流測量值改變施加功率以適應條件的時間。固定關斷時間方法的優點是紋波電流和平均電流水平僅取決于關斷時間和LED正向電壓。在固定的關閉時間內，正向電壓取決于串中LED的溫度和數量。

軟件算法可以通過實現自適應電壓補償來補償這些影響。該算法監控LED上的電壓降，并調整關閉時間長度。然后通過調節所提供的峰值電流來控制平均LED電流，該峰值電流是在LED燈供電的MOSFET開啟時測量的。

STMicroelectronics的STLUX系列照明控制器提供驅動方式多達六個LED串，借助于改進的降壓拓撲功率轉換器獨立使用固定關斷時間控制。 STLUX系列照明控制器采用的控制策略的核心是狀態機，事件驅動（SMED）技術。這使得控制器可以操作多個LED串，每個LED都有自己的PWM發生器，并且無需軟件干預即可獨立響應外部和內部事件。

內置微控制器配置和編程SMED單元，如圖1所示。該微控制器基于ST8微架構，該架構基于CISC設計，可實現高代碼密度，并提供低功耗優化。

圖1：SMED單元與管理程序核心和I/O之間的關系。

STLUX交換機中的六個SMED中的每一個在四個狀態之間，在需要凍結PWM時鐘直到滿足退出條件的情況下增加保持狀態。一個應用是調光。當監控控制決定啟動調光占空比的關閉狀態時，SMED進入保持狀態。當關閉狀態定時器達到其極限時，SMED切換回正常操作以進行常規，精確的PWM電壓控制。

運動可以在四種狀態中的任何一種之間，如圖2所示。進入SMED控制狀態機何時以及如何轉換到新的目標狀態，并且SMED可以鏈接以構建更復雜的狀態機，其中不需要完全獨立控制每個字符串。

圖2：SMED單元可能的狀態轉換。

使用96 MHz的工作頻率，PWM的最大分辨率為1.3 ns。 SMED架構允許控制器在10 ns內對事件做出反應。

為了支持固定關斷時間配置，基本SMED提供了足夠的狀態來處理核心PWM周期以及故障響應和恢復。初始化后，SMED切換到S0，主要用于控制關閉時間。在此狀態下，輸出PWM線設置為0 V.定時器用于確定從S0退出的時間。為了支持調光，S0可以進入保持狀態以保持輸出為0 V.如果不需要調光控制，則狀態移至S1。

S1用作電流斜坡和故障檢測狀態。在轉換到S1期間，PWM輸出線設置為高。這會打開輸出功率MOSFET，并允許電流流入LED和檢測電阻。在正常情況下，在SMED處于S1期間，電流不應達到峰值安全限值。在固定關閉時間算法中，S1通常被編程為在PWM周期的接通時間的三分之一過去之后退出：在S2期間處理接通時間的剩余部分。但是，如果非常早地達到電流限制，這在正常條件下不應發生，則表示發生錯誤，這會強制SMED進入S3。

S2是電流限制狀態，用于在正常條件下查找峰值電流水平。電流峰值由STLUX DAC上配置的電壓決定。當電流峰值到達時，SMED循環回到S0狀態，PWM輸出在下一個固定關閉時間周期開始時切換回0 V.

S3充當過流狀態。在轉換期間，PWM輸出關閉以保護下游電路，并且定時器設置為最大值5μs。當定時器到期時，SMED進入S0進行新的循環，但也會產生內部MCU的中斷，以便軟件可以監控未來的循環，必要時停止SMED轉換，并生成用戶警報。容－源－電－子－網－為你提供技術支持