Microchip Technology Inc
Avtor: Mark Pallones
2018_265_31
Rešitev LED gonilnika z 8-bitnim mikrokontrolerjem in s stikalnim načinom zatemnjevanja.
LED-gonilniki, ki za zatemnjevanje uporabljajo stikalni način delovanja, so znani po svoji učinkovitosti in natančnem krmiljenju toka, ki teče skozi LED. Prav tako pa lahko nudijo in zagotavljajo zatemnitveno funkcionalnost, ki končnemu uporabniku omogoča ustvarjanje fantastičnih svetlobnih učinkov, hkrati pa pripomorejo k manjši porabi energije. 8-bitna izvedba mikrokontrolerja lahko zagotovi vse potrebne gradnike za ustvarjanje rešitev, ki omogočajo komunikacijo, prilagajanje in inteligentni nadzor. Poleg tega osrednja samostojna periferna integracija zagotavlja precej večjo prožnost v primerjavi s čisto analogno ali ASIC implementacijo in omogoča inovacije, ki širijo nabor produktov za razsvetljavo in omogočajo prepoznavno diferenciacijo izdelkov. Funkcije, kot so napovedovanje napak in vzdrževanja, nadzor energije, vzdrževanje barve in temperature svetlobe ter oddaljena komunikacija in nadzor, so samo nekatere napredne zmogljivosti, ki lahko pripomorejo k še večji privlačnosti inteligentnih rešitev razsvetljave.
Čeprav LED gonilniki ponujajo številne prednosti pred rešitvami za razsvetljavo iz preteklosti, se tudi v zvezi z njihovim uvajanjem pojavljajo različni izzivi. Vendar se ni potrebno bati, do konca tega članka boste izvedeli, kako lahko 8-bitne mikrokontrolerje uporabite za lajšanje konstrukcijskih izzivov in ustvarite visoko zmogljive modele LED gonilnikov s stikalnim načinom delovanja in z zmogljivostmi, ki daleč presegajo zmožnosti aplikacij s tradicionalnimi rešitvami.
8-bitni mikrokontroler je mogoče uporabiti za samostojno krmiljenje do štirih LED kanalov, kar je zmogljivost, ki je večina LED gonilnikov ne more zagotoviti. Na sliki 1 so LED gonilniki z zatemnitvijo lahko izdelani iz vgrajene periferije, ki je na voljo v posameznem mikrokontrolerju. Vsak izmed teh gonilnikov ima neodvisen samostojen kanal, ki lahko krmili močnostni napajalnik v stikalnem načinu delovanja z minimalnim ali celo brez posredovanja centralne procesne enote mikrokontrolerja. Tako lahko CPU v tem času opravlja druge pomembne naloge, kot so nadzorne funkcije, komunikacije ali dodatno sistemsko inteligenco.
Vezje za LED zatemnitev
Na sliki 2 je prikazan LED gonilnik, ki temelji na tokovnem pretvorniku, krmili pa ga krmilnik za LED zatemnjevanje. Ta krmilnik v glavnem sestavljajo od procesnega jedra neodvisne periferne naprave (CIP), kot so komplementarni izhodni generator (COG), digitalni signalni modulator (DSM), primerjalnik, programirljivi generator rampe (PRG), operacijski ojačevalnik (OPA) in pulzno-širinski modulator PWM3. Kombiniranje teh vgrajenih perifernih naprav in njihovo združevanje z drugimi zunanjimi napravami, kot so regulatorji fiksne napetosti (FVR), digitalno-analogni pretvorniki (DAC) in Capture / Compare / PWM (CCP) zaokrožujejo celoten krmilnik. COG je visokofrekvenčni preklopni impulz na MOSFET Q1, ki omogoči prenos energije in napajalnega toka na LED priključek. Preklopni čas izhoda COG se nastavi s CCP in obratovalnim ciklom, ki ohranja konstantni LED tok, katerega narekuje primerjalni izhod. Komparator proizvede izhodni impulz vsakič, ko napetost preko Rsense1 preseže napetost na izhodu PRG modula. PRG, katerega vhod je prek povratnega vezja povezan na OPA izhod, je nastavljen kot kompenzator nagiba, ki preprečuje učinek inherentnega subharmoničnega nihanja, kadar je obremenitev v ciklu večja od 50%.
OPA modul je uporabljen kot ojačevalnik napake (EA) v konfiguraciji kompenzatorja tipa II. FVR se uporablja na vhodu v DAC, kar zagotavlja napetostno referenco za neinvertirajoči vhod OPA, ki temelji na specifikaciji konstantnega toka uporabljenih LED.
Da bi dosegli funkcijo zatemnitve, se PWM3 uporablja kot modulator CCP izhoda med krmiljenjem MOSFET-a Q2, da se hitro izmenjavata LED vklop in izklop. Modulacija je omogočena prek DSM modula in modulirani izhodni signal se vodi naprej v COG. PWM3 zagotavlja impulz s spremenljivim obratovalnim ciklom, ki krmili povprečni tok krmilnika, s čimer uravnava svetlost LED svetlobe.
Opisani LED krmilnik s funkcijo zatemnitve ne le da po zmogljivostih dosega vse, kar ponujajo tipični LED krmilniki, ampak ima tudi funkcije, s katerimi preprosto rešimo tipične težave, s katerimi se soočajo tipični LED krmilniki. Zdaj se bomo sprehodili skozi te težave in poskušali ugotoviti, kako uporabiti LED krmilnik z zatemnitvijo, da bi se jim izognili.
Utripanje
Utripanje je eden od izzivov, ki jih lahko imajo tipični krmilniki LED razsvetljave z možnostjo zatemnitve. Medtem, ko ima namerno utripanje lahko tudi zabaven učinek, lahko nekontrolirano utripanje LED razsvetljave nehote povsem uniči želeni vizualni učinek, ki ga je uporabnik želel doseči. Da se izognemo utripanju in da zagotovimo nemoteno zatemnitev, mora krmilnik razsvetljave zagotavljati zatemnitev od 100% svetlobnega učinka pa vse do najnižje ravni svetlobe z neprekinjenim tekoče povezanim učinkom. Ker se LED takoj odziva na spremembe toka in nima nekega dušilnega učinka, mora imeti krmilnik dovolj stopenj zatemnjevanja, da človeško oko ne zazna teh sprememb. Za izpolnitev te zahteve LED zatemnitveni krmilnik uporablja PWM 3 za krmiljenje stopnje zatemnitve LED nizov. PWM3 ima 16-bitno ločljivost pulzno širinske modulacije, kar pomeni, da ima od 100% do 0% delovnega cikla kar 65536 korakov, to pa zagotavlja gladek prehod med največjo in najmanjšo mogočo osvetlitvijo.
Premik temperature barve LED svetlobe
LED gonilnik lahko prav tako povzroči premik temperature barve LED svetlobe. Tovrstno spremembo barve lahko zazna tudi uporabnik, kar na koncu resno omaja resničnost trditev o visokokakovostni svetlobni izkušnji z LED osvetlitvijo. Slika 3 prikazuje tipično valovno obliko signala na porabniku s PWM LED zatemnitvijo. Ko je LED izklopljena, se LED tok postopoma zmanjšuje zaradi počasnega praznjenja izhodnega kondenzatorja. Prav to pa lahko povzroči premik barvne temperature LED svetlobe in večjo porabo LED.
Počasno praznjenje izhodnega kondenzatorja lahko odpravimo z uporabo stikala za obremenitev. Na sliki 2 je vezje, ki se uporablja Q2 kot stikalo za obremenitev in krmilnik zatemnitve LED sinhrono izklopi COG PWM izhod in Q2, s čimer se premosti pot zastalemu toku in omogoči, da LED dioda ob izklopu res hitro ugasne.
Tokovne konice
Pri uporabi močnostnega napajalnika za pogon LED nizov, ki deluje v stikalnem načinu, je za krmiljenje LED toka uporabljena povratna vezava. Vendar pa lahko med samo zatemnitvijo ravno povratno vezje ustvari tokovno konico (glej sliko 3), če se ta operacija ne izvede pravilno. Če pogledamo nazaj na sliko 2, ko je LED vklopljena, se na LED dovaja tok in napetost z upora RSENSE2 se pripelje v EA. Ko se LED dioda izklopi, LED ne dobi toka, napetost RSENSE2 postane nič. Med tem časom zatemnitve, oziroma časom, ko tok ne teče, se vrednost na izhod EA poveča do maksimuma in prekomerno napolni EA vezje za kompenzacijo. Ko se modulirani PWM signal ponovno vklopi, traja kar nekaj ciklov, preden se razmere ponovno stabilizirajo, medtem pa skozi LED teče veliko previsok tok. Delovanje s takšnimi tokovnimi konicami izven predpisanih meja pa seveda škodljivo vpliva na delovanje in tovarniško zagotovljene izhodne karakteristike LED diod, ter znatno skrajša njihovo življenjsko dobo.
Da bi se izognili tej težavi, krmilnik za zatemnitev LED omogoča, da je PWM3 uporabimo kot vir preobremenitve OPA. Ko je PWM3 nizek, je izhod EA v stanju visoke impedance, kar popolnoma odklopi vezje za kompenzacijo iz povratne zanke. Ta ima potem v kompenzacijskem kondenzatorju kot naboj shranjeno zadnjo točko stabilne povratne informacije. Ko je PWM3 na visokem nivoju in se LED znova vklopi, se kompenzacijsko vezje ponovno vklopi in izhodna napetost EA takoj preide v stanje, ki je bilo pred tem stabilno (preden je PWM3 nizka) in skoraj v trenutku vzpostavi nastavljeno želeno vrednost toka skozi LED.
Celotna rešitev
Kot je bilo že prej omenjeno, lahko krmilnik LED z zatemnitvijo deluje z minimalnim ali celo brez posredovanja centralne procesne enote mikrokontrolerja. To torej pomeni, da celotno breme v zvezi s krmiljenjem LED gonilnika nosi vgrajena periferija, ki deluje neodvisno od procesnega jedra, centralni procesni enoti pa ostane na razpolago pomembna pasovna širina za izvajanje drugih pomembnih nalog. Funkcije zaščite, kot je na primer zaščita pred prenizko napajalno napetostjo (UVLO), pred previsoko napetostjo napajanja (OVLO) in prenapetostna zaščita (OOVP) se lahko izvajajo z obdelavo izmerjene vhodne in izhodne napetosti. To zagotavlja, da LED gonilnik deluje znotraj želenih specifikacij in je vir LED svetlobe zaščiten pred nenormalnimi vhodnimi in izhodnimi pogoji. CPE lahko obdeluje tudi izmerjene termične podatke s senzorja za izvajanje krmiljenja glede na temperaturne razmere na viru LED svetlobe. Poleg tega lahko CPE med nastavljanjem stopnje zatemnitve LED gonilnika istočasno obdeluje tudi prekinitve, ki jih povzročijo preprosta zunanja stikala ali ukazi, ki prihajajo prek serijske komunikacije. Prav tako imamo možnost parametre LED gonilnika prek serijske komunikacije pošiljati različnim zunanjim napravam, recimo za spremljanje ali testiranje.
Poleg zgoraj opisanih funkcij ima oblikovalec na voljo razkošje, da doda še več inteligence v lastno LED aplikacijo, ki vključuje tudi takšne komunikacije, kot sta DALI ali DMX, ter prilagoditev uporabniškega vmesnika. Na sliki 4 je prikazan primer celotne rešitve LED krmilnika z možnostjo zatemnitve, ki deluje v stikalnem načinu.
Zaključek
LED krmilnik z možnostjo zatemnitve lahko uporabite za ustvarjanje učinkovitega LED gonilnika, ki deluje v stikalnem načinu. Prav tako je učinkovita njegova sposobnost krmiljenje več LED nizov hkrati, za zagotavljanje učinkovitega vira napajanja, za zagotovitev optimalne učinkovitosti LED svetlobnih virov, za ohranjanje njihove dolge življenjske dobe ter pri dodajanju določene stopnje inteligence v sistem.
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
