如何使用C2000 mcu 驱动多个 LED 灯串

　　作者：Brett Larimore， Daniel Chang， Patrick Carner

      随着 LED 技术的不断发展，提高电源效率和节省成本成为可能，导致 LED 的使用方式增加。与此同时，系统正在使用更多种类的 LED，每个 LED 都需要以不同的方式驱动，以实现最佳性能、效率和色彩准确度。例如，汽车系统使用 LED 实现多种功能——包括前照灯、远光灯、雾灯、转向灯等——每一种都需要不同类型的 LED 和/或不同数量的 LED。

　　开发人员可以使用不同的功率级拓扑和控制方法来驱动多个 LED 灯串。每种拓扑和控制方法都有其自身的优势，具体取决于应用。TI 展示了两种常见 LED 照明设计实施的实施，提供了两种基于其实时控制 C2000 Piccolo™ 架构的 LED 照明开发套件——DC/DC LED 照明开发套件和多 DC/DC 彩色 LED 开发套件。结合 TI 行业领先的开发软件和工具，工程师可以使用这些套件来加速各种照明应用的开发。

　　功率级拓扑和控制方法

　　LED 照明行业中使用了几种常见的功率级设计拓扑和数字控制方法。每种设计实现和控制方法都有其独特的优势和考虑因素。TI 通过其 C2000 LED 照明开发套件展示了其中两种功率级设计拓扑和两种随附的控制方法。

　　图 1 显示了 DC/DC LED 照明开发人员套件中使用的单个共享功率级的电源拓扑。该拓扑利用 Piccolo F28035 MCU 来控制一个灵活的 SEPIC DC/DC 功率级和八个独立的 LED 调光级，用于控制相同类型和相同长度的 LED 灯串。SEPIC 是一种动态拓扑，它可以在高压（高达 48 伏）下运行，并适当地升高或降低驱动电压。通过这种控制拓扑，开发人员可以精确、独立地控制同类型/同长度的 LED 灯串的亮度和色温。单功率级拓扑非常适合需要稳定输出的工业照明等应用。

　　图 1：使用 SEPIC DC/DC 功率级对电压轨进行降压或升压。

　　另外，图 2 显示了用于多直流/直流彩色 LED 照明开发套件中的可变长度和 LED 类型的 LED 灯串的多功率级拓扑。此拓扑使用单个 Piccolo MCU 来控制两个 SEPIC DC/DC 功率级和六个升压 DC/DC 功率级，适合驱动彩色 LED。借助这种多功能拓扑，开发人员可以支持多达 8 个可变长度和类型的 LED 灯串。例如，单个 Piccolo F28027 数字 LED 控制器可以驱动多达 8 个 LED 灯串，包括由两个白色 LED 灯串加上两组 RGB 灯串组成的系统（即，每个 RGB 灯串由一个红色、绿色和蓝色 LED 灯串组成） ）。通过为每个 LED 串使用单独的功率级，F28027 可以独立控制每个 LED 串的色调和亮度。

　　图 2：Piccolo F28027 MCU 可以驱动多达 8 个可变长度和不同 LED 类型的 LED 灯串。

　　这两种拓扑需要不同的方法来驱动 LED 灯串。当只有一个功率级可用于驱动多个灯串时，LED“导通”电压偏置通过功率级变化，以实现所需的 LED 色调和效率（参见图 3a）。单个灯串的调光（参见图 3b）是通过使用脉冲宽度调制 （PWM） 以可变占空比来关闭和打开 LED 电流来实现的。

　　图 3：使用单级驱动器控制 LED 温度 （a） 和亮度 （b）。

　　或者，当每个灯串都有自己独立的功率级时，使用平均电流模式控制来驱动 LED。使用这种方法，电流连续流过串中的每个 LED。不是直接改变电压，而是改变每个功率级中的电流（参见图 4）。调光是通过降低和提高流过 LED 的平均电流来实现的。通过独立调整单独的红色、绿色和蓝色 LED 串的电流水平来控制颜色混合。这些 LED 的整体输出然后创建所需的颜色级别。通过同时调暗三个 RGB 字符串并相互结合，在改变亮度的同时保持精确的色彩控制。

　　图 4：使用平均电流模式控制驱动多个 LED 灯串，每个灯串都有自己的独立功率级。

　　驱动多个 LED 灯串

　　在决定使用共享功率级还是多个独立功率级时，需要考虑许多设计因素。LED 输出由施加在 LED 串上的电压和电流决定，有几个因素会影响特定 LED 串所需的最佳驱动电平：

　　LED 类型：每种类型的 LED（例如 350 mA 或一安培 LED）有自己的亮度/电压曲线，开发人员需要将其考虑在内以准确管理亮度。即使额定电流相同，不同制造商制造的 LED 也可能具有不同的曲线。

　　字符串长度：具有不同数量 LED 的两个灯串，即使 LED 属于同一类型且来自同一箱，也具有不同的驱动要求。

　　LED 颜色：对于使用红色、绿色和蓝色 LED 三元组混合颜色的应用，每种不同颜色的 LED 都有自己的最佳工作电压。

　　LED 变化：制造过程可能导致 LED 之间的变化。可以高价购买输出接近的 LED（即分档）。或者，可以动态调整串的工作电压以补偿这些变化。

　　一般来说，考虑到 LED 的数量和类型是恒定的，单一功率级拓扑可以很好地服务于仅使用单一类型 LED 的应用，例如城市或工业照明应用。当使用多串 LED 时，单个功率级拓扑也是整合模拟组件的绝佳方式。例如，TI 的 Piccolo LED 套件中使用的单个控制器可以有效地管理相同 LED 类型的八个独立灯串。

　　另一方面，许多应用可能会受益于具有多个独立 DC/DC 电源的拓扑结构，每个电源驱动一个单独的 LED 灯串。当系统中的 LED 灯串在长度或 LED 类型上不同时，例如，从单个功率级工作需要调整驱动电压以匹配每个灯串规格。为特定串降低此电压可能会降低其他串的电源效率或导致颜色控制不理想。

　　此外，当每个 LED 串需要精确的工作值时，无论这些值是亮度、色调还是其他测量值，为每个 LED 串使用单独和独立的 DC/DC 级可能会很有用。通过单独的 DC/DC 级为每个灯串提供单独的电压，可以让开发人员进一步控制每个 LED 灯串的工作效率和光输出精度。通过这种设计拓扑，每个 DC/DC 级驱动不同类型和长度的 LED 灯串，为 LED 照明设计提供了极大的灵活性。

　　准确的颜色混合

　　颜色精度的价值因应用而异。如果驾驶员可以根据喜好调整颜色，那么车内环境照明的准确性可能并不重要。但是，如果照明需要反映特定颜色，则准确性非常重要。即使只使用白色 LED，准确性也很重要。例如，氙气大灯可能太黄或太紫。这种不准确不仅是不可取的（例如，紫色的前灯会分散其他驾驶员的注意力）；它们会对产品寿命产生负面影响。

　　是否使用单个或多个功率级拓扑结构的决定也可能受到维护和风险考虑的影响。例如，在镇流器中替换荧光灯的简单照明应用使用完全相同的光模块。使用单个功率级可能有助于降低维护成本；由于功率级电路将位于主控制器中，因此每个灯模块主要由外壳和 LED 组成。然而，单个功率级对于与其连接的许多光模块来说也是一个单点故障。或者，需要高可靠性的系统可能依赖于多功率级拓扑，因为故障可能仅禁用单个照明模块。然而，

　　简化功率级设计

　　功率级设计是一个使用 TI 参考设计和软件工具的相对简单的过程。TI 提供了参考设计，开发人员可以对其进行修改，以针对特定 LED 类型和串中使用的 LED 数量优化功率级。开发人员可以通过提供正在使用的 LED 的亮度/电压曲线并让控制器使用高精度 ADC 感应电流和电压水平来进一步调整参数，从而创建一个微调的功率级。此外，Mathworks 的工具、Powersim 的 PSIM® 和 VisSim 的 Embedded Controls Developer™ 都支持 Piccolo 架构并简化了功率级设计。

　　除了 TI 的 Code Composer Studio™ 集成开发环境之外，开发人员还可以访问 controlSUITE™ 软件，这是一个全面的可用于生产的控制软件集合。controlSUITE 软件提供了广泛的功能，提供了示例项目，这些项目提供了完整照明应用所需的大部分基本代码，包括 DC/DC 电源和 LED 驱动器级的闭环控制。对于不熟悉 LED 设计的开发人员，示例项目大大降低了 LED 学习曲线。

　　数字 LED 控制的优势

　　TI 的 Piccolo MCU 架构非常适合 LED 应用。除了提供灵活的 LED 驱动控制之外，Piccolo MCU 还能够实现在许多照明应用中变得越来越重要的高级功能：

　　温度感应：集成 ADC 允许 Piccolo MCU 轻松监控 LED 工作温度。随着温度升高，LED 效率下降。此外，对于混色应用，温度也会影响 LED 颜色。借助温度感应，数字控制器可以通过调整 LED 驱动算法或通过激活其他系统组件（如风扇）来动态补偿温度变化。

　　绿色运行：系统可以使用各种传感技术来实现更复杂的控制算法，以优化功率利用率。例如，系统可以根据可用的环境光动态调整 LED 驱动电平。较低的功耗还可以减少散热，从而降低运营成本并提高长期可靠性。

　　系统协调和通信：智能照明控制对于许多基于 LED 的系统至关重要，从闪烁的装饰灯到激活车辆的转弯头灯再到高端舞台照明。开发人员可以实现各种通用和特定应用的通信通道，包括 CAN、DMX 和电力线通信 （PLC）。与 LED 的数字控制相结合，通信接口为远程管理和广泛的高级使用模型打开了照明系统。

　　可编程性：可编程架构使开发人员能够继续向现有架构引入新功能，而无需对系统硬件进行耗时且成本高昂的重新设计。当通信接口可用时，可编程性还可以实现简单的现场升级，从而无需技术人员亲自到访即可更新系统。

　　颜色校正： LED 的输出随温度和时间而变化。为了提供长期准确的色彩混合，基于 Piccolo 的照明系统可以编程以补偿温度变化并调整工作电压以补偿老化组件造成的退化。

　　高可靠性：开发人员可以引入故障检测和警报通知等功能，以提高可靠性并降低维护费用。

　　集成功能： Piccolo 数字 LED 控制器通过集成各种应用所需的各种片上外设来减小系统尺寸和复杂性。例如，高分辨率 ADC 支持电机和电源控制应用的精确电流和电压感应。

　　适应性：Piccolo 数字 LED 控制器提供足够的性能余量，以适应​​不断变化的市场条件、不断变化的客户需求和不断发展的标准，从而使设计面向未来并保护设计投资。TI 还提供范围不断扩大的微控制器以满足新兴应用的需求，因此制造商可以快速且经济高效地利用新机遇。

　　单功率级和多功率级拓扑提供了一种有效驱动多个 LED 灯串的有效方法。借助其 DC/DC LED 照明开发人员套件和多 DC/DC 彩色 LED 开发人员套件，TI 为开发人员提供了实施单功率级或多功率级拓扑的选项，同时展示了 LED 照明控制的各种方法。两种方法都可用于大多数照明系统，但每种方法都有其优点，具体取决于特定应用。每个 Piccolo F2802x 系列微控制器最多可以控制八个单独的 LED 灯串，并且根据所使用的功率级设计，每个灯串几乎可以驱动任意数量的 LED。

　　这两个套件都带有一个独立的基于 GUI 的控制应用程序，允许开发人员试验 LED 亮度和颜色控制，并探索 Piccolo MCU 的许多通用功能（见表 1）。开发人员可以快速评估不同的电源拓扑和控制方法，使用最合适的方法启动开发。

　　表 1：LED 照明开发人员套件：主要特性和优势。

　　TI 数字 LED 控制器为不断变化的应用需求提供最高的灵活性和适应性。TI 还提供范围广泛的模拟组件，这些组件以多年的系统级专业知识、全面的开发工具和广泛的应用软件为后盾，为开发人员提供完整的 LED 照明解决方案。使用 Piccolo MCU，开发人员可以设计平衡产品价格、尺寸、复杂性、电源效率、准确性、可靠性、可维护性和性能的系统，以创建最佳系统。