模擬或數(shù)字驅(qū)動器之間的選擇取決于應(yīng)用要求。無論您選擇哪種路線，您都只是通過了許多決策點中的第一個。

不再將其降級為控制臺或圣誕裝飾品上的簡單指示燈，LED正在徹底改變照明行業(yè)。它們的高效率，低實施成本和長使用壽命繼續(xù)取代現(xiàn)有的照明技術(shù)。此外，可用于LED開發(fā)的芯片和設(shè)計工具使得在各個行業(yè)的應(yīng)用中利用這些器件成為可能。

對這項技術(shù)不熟悉的工程師面臨的挑戰(zhàn)是LED由模擬系統(tǒng)驅(qū)動，可以是相當?shù)膹?fù)雜。系統(tǒng)可以基于電流或電壓，并且需要高級補償以保持負載，顏色變化和串長度之間的一致性和效率。更復(fù)雜的設(shè)計是，來自不同制造運行的LED可能變化很大，需要對某些應(yīng)用進行校準。

還有許多實現(xiàn)LED技術(shù)的方法，從用于燈泡更換的非常簡單的模擬驅(qū)動電路到高級基于數(shù)字MCU的舞臺或街道照明系統(tǒng)，需要通過有線或無線通信鏈路進行自適應(yīng)補償和遠程控制。然而，哪種實施是最佳的，取決于許多因素。本文將介紹基于LED的設(shè)計中一些更重要的元素及其對成本，功效和設(shè)計簡單性的影響。

模擬與數(shù)字

基本LED系統(tǒng)采用交流或直流輸入，并將其轉(zhuǎn)換為適當?shù)闹绷麟妷夯螂娏鳎则?qū)動LED（參見圖1）。使用純模擬拓撲結(jié)構(gòu)的最常見應(yīng)用之一是更換燈泡，其中LED系統(tǒng)需要與其替換的產(chǎn)品一樣簡單。對于這樣的應(yīng)用，不需要通信鏈路或內(nèi)部智能等高級功能，使模擬方法成為理想選擇。

在數(shù)字系統(tǒng)中（見圖2），每個LED串由MCU使用脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動（ PWM）。如果MCU可以提供足夠的電力，它可以直接驅(qū)動LED。對于驅(qū)動高亮度LED或LED串的系統(tǒng)，PWM驅(qū)動MOSFET執(zhí)行實際功率切換。

圖1：LED系統(tǒng)的模擬實現(xiàn)。 （來源：德州儀器。經(jīng)許可使用。）

開發(fā)人員可能面臨的一個問題是對LED技術(shù)缺乏了解。例如，從白熾燈到固態(tài)照明的燈具制造商通常不一定對電子產(chǎn)品有太多經(jīng)驗。努力研究數(shù)字電源轉(zhuǎn)換算法和電源設(shè)計的前景，特別是沒有內(nèi)部電源專業(yè)知識，使得簡單的模擬方法具有吸引力。

圖2：LED系統(tǒng)的數(shù)字實現(xiàn)。 （來源：德州儀器。經(jīng)許可使用。）

模擬系統(tǒng)的另一個優(yōu)點是能夠集成更高電壓的元件。例如，與數(shù)字實現(xiàn)相比，可以減少系統(tǒng)中所需的MOSFET的總數(shù)。使用基于模擬的方法，簡單的反饋也不那么復(fù)雜。數(shù)字系統(tǒng)需要ADC來測量基于軟件的補償算法中使用的電流或電壓。對于模擬系統(tǒng)，反饋環(huán)路由誤差放大器組成，可調(diào)節(jié)LED上的工作電壓以匹配內(nèi)部電壓基準。但是，從工程角度來看，最簡單的方法往往更加穩(wěn)健，但不是始終對市場最具吸引力，或最具成本效益。與模擬系統(tǒng)相比，驅(qū)動LED的數(shù)字方法提供了更靈活的拓撲結(jié)構(gòu)。例如，通過軟件配置的PWM可以可靠地驅(qū)動各種電壓和電流。這對于可能需要支持各種LED類型以滿足每個客戶的亮度要求的應(yīng)用特別有用。例如，重新配置PWM和補償環(huán)路允許開發(fā)人員用700 mA的串替換350 mA的串，而無需更改基本系統(tǒng)設(shè)計。如果系統(tǒng)具有通信鏈路并支持遠程升級，則可以在已經(jīng)部署在現(xiàn)場的系統(tǒng)中進行字符串替換。

采用數(shù)字方法的主要優(yōu)點是MCU可以執(zhí)行的不僅僅是電源管理功能驅(qū)動LED。與模擬方法相比，功率因數(shù)校正（PFC），溫度傳感和通信等高級功能往往更具成本效益，更易于實施。系統(tǒng)需要的功能越多，數(shù)字方法就越有可能成為最佳選擇。此外，一旦轉(zhuǎn)向MCU，所有其他先進的數(shù)字功能都可用，從而可以更好地區(qū)分競爭產(chǎn)品。

顏色準確性：某些照明應(yīng)用，如舞臺照明，需要準確的混色。請注意，當需要保持特定或一致的陰影/強度的能力時，顏色準確度也適用于白色LED。固定偏移（例如，來自不同制造箱的LED可能執(zhí)行不同且需要校準）和動態(tài)變化（例如，隨溫度變化而發(fā)生的色移）需要補償。

顏色混合：一些應(yīng)用需要能夠混合LED以產(chǎn)生不同顏色的色調(diào)，例如用變幻的彩虹顏色洗墻的燈。 LED之間的動態(tài)協(xié)調(diào)和色彩準確性可能成為重要因素。

調(diào)光：使用模擬元件很難實現(xiàn)三端雙向可控硅調(diào)光。相比之下，MCU可以檢測調(diào)光器的前沿和后沿，從而大大簡化設(shè)計。

多個字符串：隨著字符串的長度和數(shù)量的增加，系統(tǒng)的總體功率需求也會增加。采用模擬方法，每對串需要一個變壓器，以及單獨的整流器（見圖3）。隨著字符串數(shù)量的增加，組件數(shù)也會增加。在某些時候，由于所需組件數(shù)量較少，轉(zhuǎn)向數(shù)字拓撲結(jié)構(gòu)變得更加有利。

傳感器：LED應(yīng)用可能需要感知其環(huán)境有多種原因。例如，測量LED周圍的溫度可以進行高級色彩校正。運動傳感器可實現(xiàn)智能控制。環(huán)境光傳感器允許系統(tǒng)在不需要打開時自動關(guān)閉。在每種情況下，MCU都需要監(jiān)控傳感器，處理數(shù)據(jù)并決定如何采取行動。

圖3：采用模擬方法，每對琴弦都需要一個變壓器，以及單獨的整流器。 （來源：德州儀器。經(jīng)許可使用。）

許多系統(tǒng)都需要MCU來處理系統(tǒng)管理任務(wù)，傳感以及通信接口。要問的關(guān)鍵問題是MCU是否也能有效地支持驅(qū)動器功能。實現(xiàn)數(shù)字LED控制可以像在同一MCU系列中指定更高性能的設(shè)備一樣簡單。同樣值得確認的是，MCU路線圖的設(shè)備具有足夠的性能，可以在下一代設(shè)計中引入先進的LED功能。但是，如果MCU是一個僅用于簡單系統(tǒng)管理的低端設(shè)備，它很可能將不具備驅(qū)動LED的實時性能。在這種情況下，可能需要完全不同的MCU系列來處理LED的驅(qū)動。為了降低該系統(tǒng)的成本，需要將低端MCU處理的功能遷移到更高性能的MCU，有效地需要對系統(tǒng)進行全面的重新設(shè)計。開發(fā)人員可能會發(fā)現(xiàn)使用基于模擬的拓撲結(jié)構(gòu)將LED子系統(tǒng)與系統(tǒng)MCU分開實施更具成本效益并且更快地進入市場。

效率

模擬LED系統(tǒng)通常經(jīng)過調(diào)整以提供最佳效果特定負載下的效率。當工程師開始使用模擬方法設(shè)計LED系統(tǒng)時，他們可以自由選擇負載。為了獲得最高效率，所選擇的負載應(yīng)該是系統(tǒng)在大多數(shù)時間內(nèi)運行的負載。對于燈光，這通常是最高亮度。這種方法的一個缺點是當光以不同的負載工作時，例如當光變暗時，效率也會降低。另一個缺點是，如果應(yīng)用需要具有不同數(shù)量的LED的串的配置，則最佳負載值也會改變，需要重新設(shè)計模擬電路。使用數(shù)字方法，可以使用更復(fù)雜的驅(qū)動算法來動態(tài)調(diào)整當前負載的驅(qū)動功率。這使得系統(tǒng)能夠以最佳方式運行 - 不僅在最佳負載下，而且在整個工作負載范圍內(nèi)運行。

一些效率技術(shù)可用于通常不具備模擬組件形式的MCU。這種技術(shù)的一個例子是降壓PFC。出于各種原因，傳統(tǒng)工業(yè)照明應(yīng)用的功率經(jīng)歷了兩階段轉(zhuǎn)換過程。首先，120 VAC輸入升壓至400 VDC或更高。由于LED串在較低的電壓下工作，例如40 V，因此需要降低電壓。不幸的是，升高和降低電壓會導(dǎo)致不必要的損耗，從而降低效率。今天的MCU可以通過降壓PFC技術(shù)來繞過這些低效率，降壓PFC技術(shù)將輸入交流電壓直接轉(zhuǎn)換為所需的直流電壓。這不僅消除了DC/DC轉(zhuǎn)換階段，而且效率更高，并且使用更小的電容器功率因數(shù)校正

PFC是越來越多的應(yīng)用所需的先進技術(shù)。功率本質(zhì)上是電阻性的。驅(qū)動LED的電路利用諸如電感器和電容器之類的元件來改變提供給電路的功率分布。實際上，傳輸線的尺寸必須大于電路中實際使用的電流。 PFC使LED及其電路看起來像電阻器，類似于白熾燈在傳輸線上的顯示方式，從而減少了對傳輸線尺寸的影響。

可用功率是公用事業(yè)公司非常關(guān)注的。例如，如果連接了PFC為1.0的設(shè)備，則可以使用100％的工廠電源。然而，當PFC為0.5時，只有一半的工廠電力可用作可用功率。換句話說，如果沒有在電子設(shè)備中實施PFC技術(shù)，公用事業(yè)公司將不得不建造更大的工廠以提供足夠的可用功率。

系統(tǒng)是否需要PFC可能是一個難以回答的問題，因為PFC不一定帶來為LED設(shè)備用戶帶來直接好處。這使得很難證明添加PFC的費用是合理的。為了幫助采用PFC，許多國家都在強制要求使用PFC。在美國，低瓦數(shù)住宅照明沒有PFC要求。對于商業(yè)照明，通常需要PFC。

通信

根據(jù)應(yīng)用，開發(fā)人員可能會發(fā)現(xiàn)將通信鏈路集成到基于LED的照明系統(tǒng)中非常有用。鏈路可以是有線或無線的，并且可以作為系統(tǒng)智能和遠程控制的基礎(chǔ)。請注意，為了支持通信鏈路，系統(tǒng)將需要MCU來發(fā)送/接收數(shù)據(jù)并對其進行操作。該MCU也可能用于或不用于驅(qū)動LED對于插入插座的工業(yè)燈或家庭自動化照明等設(shè)備，電力線通信（PLC）技術(shù)利用家庭或工廠建筑的現(xiàn)有電力基礎(chǔ)設(shè)施提供了強大的連接。對于適用于電池耗盡或不支持PLC的便攜式設(shè)備的連接，ZigBee等無線技術(shù)可以提供成本和功耗有效的實施方案。如果LED系統(tǒng)是已經(jīng)具有可以利用的網(wǎng)絡(luò)連接的較大系統(tǒng)的一部分，則通信可以接管諸如I2C或SPI的處理器間接口。系統(tǒng)還可以具有USB等手動通信鏈路。在這種情況下，系統(tǒng)可以存儲性能數(shù)據(jù)，以供執(zhí)行定期維護的技術(shù)人員定期手動下載。

某些應(yīng)用程序可能還需要支持協(xié)議層。例如，DALI和DMX512使開發(fā)人員能夠構(gòu)建與現(xiàn)有控制系統(tǒng)兼容的照明設(shè)備。其他系統(tǒng)可能收集由于各種原因有用的性能統(tǒng)計數(shù)據(jù)。例如，系統(tǒng)可以存儲它控制的每個燈串的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。當燈光燒壞時，系統(tǒng)會觸發(fā)維護警報。更先進的系統(tǒng)可以跟蹤每盞燈的工作溫度以及燈的亮度，以預(yù)測燈何時發(fā)生故障，從而可以進行搶先維護。

自我監(jiān)控功能對于廣泛的范圍變得越來越重要商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用。例如，城市支付固定費用來操作路燈，無論燈實際消耗多少電量。如果每個路燈都有自己的儀表，城市可以根據(jù)測量的使用量進行支付，從而節(jié)省大量的運營成本。隨著時間的推移，這些節(jié)省將抵消通信鏈路和管理基礎(chǔ)設(shè)施的額外成本。

選擇

無論您決定使用模擬還是數(shù)字，您都將擁有無數(shù)的組件選擇。過去，每個LED燈串都有自己的控制器。如今，模擬LED驅(qū)動器和數(shù)字控制器通過單個控制器驅(qū)動多個串，提供了更具成本效益的方法。

各種模擬LED驅(qū)動器相當廣泛，根據(jù)應(yīng)用提供一系列功能。例如，德州儀器（TI）的TLC5960 LED驅(qū)動器可驅(qū)動多達8個通道，并使用智能余量電壓控制來優(yōu)化每個串的正向電壓，從而使開發(fā)人員能夠適應(yīng)由于分檔而產(chǎn)生的LED串之間的細微差別。 TLC5960還具有輸入，用于測量每個串的電流/電壓，并提供反饋以動態(tài)調(diào)整DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出，以維持通過串的恒定電流。

對于數(shù)字設(shè)計，TI為高級LED應(yīng)用提供TMS320F2806x。該MCU是該公司Piccolo系列的一部分，提供集成的浮點處理，以支持PFC和PLC等功能。賽普拉斯半導(dǎo)體通過其PSoC系列微控制器提供LED設(shè)計的混合方法。 PSoC架構(gòu)中的可重編程模擬和數(shù)字模塊允許開發(fā)人員在硬件中實現(xiàn)驅(qū)動器功能，以最大限度地提高性能和分辨率。

開發(fā)人員還可以訪問評估工具包以加速產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)。開發(fā)套件為LED技術(shù)的新工程師提供了快速評估拓撲和組件的方法。例如，TI的Piccolo Multi-DC-DC彩色LED套件向開發(fā)人員介紹了使用彩色LED進行設(shè)計（參見圖4）。或者，TI的UCC28810-EVM003驅(qū)動多個LED串，并向開發(fā)人員展示如何有效地擴展設(shè)計的磁性。該套件不是具有需要單獨調(diào)節(jié)以實現(xiàn)一致照明的多個DC/DC轉(zhuǎn)換器，而是使用具有次級繞組的變壓器以減少元件數(shù)量。此外，對LED設(shè)計不熟悉的開發(fā)人員可以使用TI的controlSUITE等強大的設(shè)計工具。開發(fā)人員可以快速配置多個LED串，調(diào)整控制環(huán)路頻率，并調(diào)整性能，而無需編寫單行代碼。

圖4：Piccolo Multi-DC-DC彩色LED套件TI向開發(fā)人員介紹了使用彩色LED設(shè)計。 （來源：德州儀器。經(jīng)許可使用。）

在做出選擇之前，可能需要花時間探索幾種可用的選項。例如，Microchip提供了基于不同拓撲結(jié)構(gòu)的各種演示板 - 包括帶有電荷泵，升壓調(diào)節(jié)器，SEPIC穩(wěn)壓器或PWM控制器的驅(qū)動LED - 這些都強調(diào)了系統(tǒng)構(gòu)建的一些不同方式（參見圖5） ）。開發(fā)人員還可以依賴供應(yīng)商提供的參考設(shè)計。雖然這些設(shè)計針對特定應(yīng)用，但它們可以作為有用的學(xué)習(xí)指南，因為每個參考設(shè)計都具有一些優(yōu)化的特性，例如效率或智能控制。

LED技術(shù)的進步將繼續(xù)挑戰(zhàn)我們的關(guān)于我們?nèi)绾问褂盟鼈円约霸谑裁磻?yīng)用中使用的先入為主的概念，以及我們?nèi)绾问褂盟鼈冞M行設(shè)計。通過采用新的設(shè)計拓撲結(jié)構(gòu)，制造商可以利用領(lǐng)先的LED技術(shù)設(shè)計出更高效，更具成本效益的照明系統(tǒng)。

圖5：Microchip的MCP1630升壓模式LED驅(qū)動器演示了如何使用PWM控制器設(shè)計LED系統(tǒng)。 （來源：Microchip。經(jīng)許可使用。）