LED驱动器在模拟和数字中如何选择

模拟或数字驱动器之间的选择取决于应用要求。无论您选择哪种路线，您都只是通过了许多决策点中的第一个。

不再将其降级为控制台或圣诞装饰品上的简单指示灯，LED正在彻底改变照明行业。它们的高效率，低实施成本和长使用寿命继续取代现有的照明技术。此外，可用于LED开发的芯片和设计工具使得在各个行业的应用中利用这些器件成为可能。

对这项技术不熟悉的工程师面临的挑战是LED由模拟系统驱动，可以是相当的复杂。系统可以基于电流或电压，并且需要高级补偿以保持负载，颜色变化和串长度之间的一致性和效率。更复杂的设计是，来自不同制造运行的LED可能变化很大，需要对某些应用进行校准。

还有许多实现LED技术的方法，从用于灯泡更换的非常简单的模拟驱动电路到高级基于数字MCU的舞台或街道照明系统，需要通过有线或无线通信链路进行自适应补偿和远程控制。然而，哪种实施是最佳的，取决于许多因素。本文将介绍基于LED的设计中一些更重要的元素及其对成本，功效和设计简单性的影响。

模拟与数字

基本LED系统采用交流或直流输入，并将其转换为适当的直流电压或电流，以驱动LED（参见图1）。使用纯模拟拓扑结构的最常见应用之一是更换灯泡，其中LED系统需要与其替换的产品一样简单。对于这样的应用，不需要通信链路或内部智能等高级功能，使模拟方法成为理想选择。

在数字系统中（见图2），每个LED串由MCU使用脉冲宽度调制驱动（ PWM）。如果MCU可以提供足够的电力，它可以直接驱动LED。对于驱动高亮度LED或LED串的系统，PWM驱动MOSFET执行实际功率切换。

图1：LED系统的模拟实现。 （来源：德州仪器。经许可使用。）

开发人员可能面临的一个问题是对LED技术缺乏了解。例如，从白炽灯到固态照明的灯具制造商通常不一定对电子产品有太多经验。努力研究数字电源转换算法和电源设计的前景，特别是没有内部电源专业知识，使得简单的模拟方法具有吸引力。

图2：LED系统的数字实现。 （来源：德州仪器。经许可使用。）

模拟系统的另一个优点是能够集成更高电压的元件。例如，与数字实现相比，可以减少系统中所需的MOSFET的总数。使用基于模拟的方法，简单的反馈也不那么复杂。数字系统需要ADC来测量基于软件的补偿算法中使用的电流或电压。对于模拟系统，反馈环路由误差放大器组成，可调节LED上的工作电压以匹配内部电压基准。但是，从工程角度来看，最简单的方法往往更加稳健，但不是始终对市场最具吸引力，或最具成本效益。与模拟系统相比，驱动LED的数字方法提供了更灵活的拓扑结构。例如，通过软件配置的PWM可以可靠地驱动各种电压和电流。这对于可能需要支持各种LED类型以满足每个客户的亮度要求的应用特别有用。例如，重新配置PWM和补偿环路允许开发人员用700 mA的串替换350 mA的串，而无需更改基本系统设计。如果系统具有通信链路并支持远程升级，则可以在已经部署在现场的系统中进行字符串替换。

采用数字方法的主要优点是MCU可以执行的不仅仅是电源管理功能驱动LED。与模拟方法相比，功率因数校正（PFC），温度传感和通信等高级功能往往更具成本效益，更易于实施。系统需要的功能越多，数字方法就越有可能成为最佳选择。此外，一旦转向MCU，所有其他先进的数字功能都可用，从而可以更好地区分竞争产品。

颜色准确性：某些照明应用，如舞台照明，需要准确的混色。请注意，当需要保持特定或一致的阴影/强度的能力时，颜色准确度也适用于白色LED。固定偏移（例如，来自不同制造箱的LED可能执行不同且需要校准）和动态变化（例如，随温度变化而发生的色移）需要补偿。

颜色混合：一些应用需要能够混合LED以产生不同颜色的色调，例如用变幻的彩虹颜色洗墙的灯。 LED之间的动态协调和色彩准确性可能成为重要因素。

调光：使用模拟元件很难实现三端双向可控硅调光。相比之下，MCU可以检测调光器的前沿和后沿，从而大大简化设计。

多个字符串：随着字符串的长度和数量的增加，系统的总体功率需求也会增加。采用模拟方法，每对串需要一个变压器，以及单独的整流器（见图3）。随着字符串数量的增加，组件数也会增加。在某些时候，由于所需组件数量较少，转向数字拓扑结构变得更加有利。

传感器：LED应用可能需要感知其环境有多种原因。例如，测量LED周围的温度可以进行高级色彩校正。运动传感器可实现智能控制。环境光传感器允许系统在不需要打开时自动关闭。在每种情况下，MCU都需要监控传感器，处理数据并决定如何采取行动。

图3：采用模拟方法，每对琴弦都需要一个变压器，以及单独的整流器。 （来源：德州仪器。经许可使用。）

许多系统都需要MCU来处理系统管理任务，传感以及通信接口。要问的关键问题是MCU是否也能有效地支持驱动器功能。实现数字LED控制可以像在同一MCU系列中指定更高性能的设备一样简单。同样值得确认的是，MCU路线图的设备具有足够的性能，可以在下一代设计中引入先进的LED功能。但是，如果MCU是一个仅用于简单系统管理的低端设备，它很可能将不具备驱动LED的实时性能。在这种情况下，可能需要完全不同的MCU系列来处理LED的驱动。为了降低该系统的成本，需要将低端MCU处理的功能迁移到更高性能的MCU，有效地需要对系统进行全面的重新设计。开发人员可能会发现使用基于模拟的拓扑结构将LED子系统与系统MCU分开实施更具成本效益并且更快地进入市场。

效率

模拟LED系统通常经过调整以提供最佳效果特定负载下的效率。当工程师开始使用模拟方法设计LED系统时，他们可以自由选择负载。为了获得最高效率，所选择的负载应该是系统在大多数时间内运行的负载。对于灯光，这通常是最高亮度。这种方法的一个缺点是当光以不同的负载工作时，例如当光变暗时，效率也会降低。另一个缺点是，如果应用需要具有不同数量的LED的串的配置，则最佳负载值也会改变，需要重新设计模拟电路。使用数字方法，可以使用更复杂的驱动算法来动态调整当前负载的驱动功率。这使得系统能够以最佳方式运行 - 不仅在最佳负载下，而且在整个工作负载范围内运行。

一些效率技术可用于通常不具备模拟组件形式的MCU。这种技术的一个例子是降压PFC。出于各种原因，传统工业照明应用的功率经历了两阶段转换过程。首先，120 VAC输入升压至400 VDC或更高。由于LED串在较低的电压下工作，例如40 V，因此需要降低电压。不幸的是，升高和降低电压会导致不必要的损耗，从而降低效率。今天的MCU可以通过降压PFC技术来绕过这些低效率，降压PFC技术将输入交流电压直接转换为所需的直流电压。这不仅消除了DC/DC转换阶段，而且效率更高，并且使用更小的电容器功率因数校正

PFC是越来越多的应用所需的先进技术。功率本质上是电阻性的。驱动LED的电路利用诸如电感器和电容器之类的元件来改变提供给电路的功率分布。实际上，传输线的尺寸必须大于电路中实际使用的电流。 PFC使LED及其电路看起来像电阻器，类似于白炽灯在传输线上的显示方式，从而减少了对传输线尺寸的影响。

可用功率是公用事业公司非常关注的。例如，如果连接了PFC为1.0的设备，则可以使用100％的工厂电源。然而，当PFC为0.5时，只有一半的工厂电力可用作可用功率。换句话说，如果没有在电子设备中实施PFC技术，公用事业公司将不得不建造更大的工厂以提供足够的可用功率。

系统是否需要PFC可能是一个难以回答的问题，因为PFC不一定带来为LED设备用户带来直接好处。这使得很难证明添加PFC的费用是合理的。为了帮助采用PFC，许多国家都在强制要求使用PFC。在美国，低瓦数住宅照明没有PFC要求。对于商业照明，通常需要PFC。

通信

根据应用，开发人员可能会发现将通信链路集成到基于LED的照明系统中非常有用。链路可以是有线或无线的，并且可以作为系统智能和远程控制的基础。请注意，为了支持通信链路，系统将需要MCU来发送/接收数据并对其进行操作。该MCU也可能用于或不用于驱动LED对于插入插座的工业灯或家庭自动化照明等设备，电力线通信（PLC）技术利用家庭或工厂建筑的现有电力基础设施提供了强大的连接。对于适用于电池耗尽或不支持PLC的便携式设备的连接，ZigBee等无线技术可以提供成本和功耗有效的实施方案。如果LED系统是已经具有可以利用的网络连接的较大系统的一部分，则通信可以接管诸如I2C或SPI的处理器间接口。系统还可以具有USB等手动通信链路。在这种情况下，系统可以存储性能数据，以供执行定期维护的技术人员定期手动下载。

某些应用程序可能还需要支持协议层。例如，DALI和DMX512使开发人员能够构建与现有控制系统兼容的照明设备。其他系统可能收集由于各种原因有用的性能统计数据。例如，系统可以存储它控制的每个灯串的统计数据。当灯光烧坏时，系统会触发维护警报。更先进的系统可以跟踪每盏灯的工作温度以及灯的亮度，以预测灯何时发生故障，从而可以进行抢先维护。

自我监控功能对于广泛的范围变得越来越重要商业和工业应用。例如，城市支付固定费用来操作路灯，无论灯实际消耗多少电量。如果每个路灯都有自己的仪表，城市可以根据测量的使用量进行支付，从而节省大量的运营成本。随着时间的推移，这些节省将抵消通信链路和管理基础设施的额外成本。

选择

无论您决定使用模拟还是数字，您都将拥有无数的组件选择。过去，每个LED灯串都有自己的控制器。如今，模拟LED驱动器和数字控制器通过单个控制器驱动多个串，提供了更具成本效益的方法。

各种模拟LED驱动器相当广泛，根据应用提供一系列功能。例如，德州仪器（TI）的TLC5960 LED驱动器可驱动多达8个通道，并使用智能余量电压控制来优化每个串的正向电压，从而使开发人员能够适应由于分档而产生的LED串之间的细微差别。 TLC5960还具有输入，用于测量每个串的电流/电压，并提供反馈以动态调整DC/DC转换器的输出，以维持通过串的恒定电流。

对于数字设计，TI为高级LED应用提供TMS320F2806x。该MCU是该公司Piccolo系列的一部分，提供集成的浮点处理，以支持PFC和PLC等功能。赛普拉斯半导体通过其PSoC系列微控制器提供LED设计的混合方法。 PSoC架构中的可重编程模拟和数字模块允许开发人员在硬件中实现驱动器功能，以最大限度地提高性能和分辨率。

开发人员还可以访问评估工具包以加速产品设计和开发。开发套件为LED技术的新工程师提供了快速评估拓扑和组件的方法。例如，TI的Piccolo Multi-DC-DC彩色LED套件向开发人员介绍了使用彩色LED进行设计（参见图4）。或者，TI的UCC28810-EVM003驱动多个LED串，并向开发人员展示如何有效地扩展设计的磁性。该套件不是具有需要单独调节以实现一致照明的多个DC/DC转换器，而是使用具有次级绕组的变压器以减少元件数量。此外，对LED设计不熟悉的开发人员可以使用TI的controlSUITE等强大的设计工具。开发人员可以快速配置多个LED串，调整控制环路频率，并调整性能，而无需编写单行代码。

图4：Piccolo Multi-DC-DC彩色LED套件TI向开发人员介绍了使用彩色LED设计。 （来源：德州仪器。经许可使用。）

在做出选择之前，可能需要花时间探索几种可用的选项。例如，Microchip提供了基于不同拓扑结构的各种演示板 - 包括带有电荷泵，升压调节器，SEPIC稳压器或PWM控制器的驱动LED - 这些都强调了系统构建的一些不同方式（参见图5） ）。开发人员还可以依赖供应商提供的参考设计。虽然这些设计针对特定应用，但它们可以作为有用的学习指南，因为每个参考设计都具有一些优化的特性，例如效率或智能控制。

LED技术的进步将继续挑战我们的关于我们如何使用它们以及在什么应用中使用的先入为主的概念，以及我们如何使用它们进行设计。通过采用新的设计拓扑结构，制造商可以利用领先的LED技术设计出更高效，更具成本效益的照明系统。

图5：Microchip的MCP1630升压模式LED驱动器演示了如何使用PWM控制器设计LED系统。 （来源：Microchip。经许可使用。）