低功率LED照明应用程序：电源管理技术

作者：美国微芯科技有限公司

模拟和接口产品部

Ezana Haile（应用程序总工程师）

当控制照明应用程序中的一组LED，以确定可见光质量时，LED光与电源之间的平衡便是一项基本规范。由于电流源有限，整组LED同时发光时，不可能在低功率应用程序中达到最大发光水平。为产生最大光度，须从低功率电源处有效控制每组LED的功耗。如果在规定时间和设定值范围内，仅对一排LED供电，则要求电源管理技术。当达到所需光度时，交替的几排LED应在视觉上不可见。

为在规定时间间隔内确定LED的数量，须设定应用程序所需的可用功率和光度。须比较光度和正向电流特性，从而选择具有所需亮度级的LED。当设定所需LED的数量后，通过取LED所需总电流和可用电流的比值，便可确定在规定时间间隔内进行供电的LED数量，如下所示：

一排LED的数量=LED所需总电流/可用总源电流

应调整一排LED开启/关闭的频率，确保开启时间足以使一排LED全部照明，且关闭时间由该排LED开始变暗前的时间决定。关闭时间限制其他排LED的数量（可用通过时间间隔管理控制）。

这项技术可以低成本应用，通过时钟脉冲源、数字触发器控制数排LED，同时，通过带有简单开启/关闭开关的OR闸门检测启动条件。图1是数字触发器配置控制四排LED的方块图。

 

 

图1：采用触发器电路的LED照明时间间隔

开启前，触发器处于无改变状态且要求启动脉冲，其至少须经历一次时钟周期，以便在时钟上升边缘通过第一个触发器检测到该脉冲。启动信号周期须为瞬时，且不超过一个时钟周期，否则前两个触发器输出将设定在同一时间；此外，由于源电流受限，照明应用程序将无法正常运转。采用这种配置，在每个时钟上升边缘时开启一排LED，而肉眼看上去却如同同时打开所有LED一样。

然而，这种应用太单调，缺乏设计灵活性。其仅具备开启或关闭状态。这种电路可能满足LCD背光灯等应用程序，但是，如果需要调暗或显示图案时，电路微控制器（MCU）能够实现最大的灵活性，且对方案总成本的影响最小。该电路易于设计，仅需少量组件便可实现MCU控制每排LED，还能检测调光控制和模式选择的用户输入。

带有I/O端口扩展器（例如微芯科技有限公司的MCP23018）的低成本且低引脚数8位微控制器（例如微芯科技有限公司的PIC10F或PIC12F系列），将实现低成本应用。当照明电路位于距离MCU较远的位置时，I/O扩展器还可用于带动LED。

I/O端口扩展器扩展微控制器的I/O端口。在该应用程序中，MCU通过I2C™协议控制I/O扩展器端口，驱动LED开启或关闭，并且MCU的I/O引脚可通过按钮式开关检测用户输入，或借助内置模拟数字转换器检测调光控制的电位水平。

 

I/O扩展器带开漏或推挽输出配置。微控制器能够在3.3V或更低电压下运行，因此，开漏输出I/O扩展器极其适用于该应用程序。其优点在于允许LED在5V或更高电压下运行，而微控制器和I/O扩展器的在较低电压下运行。MCP23018是一个16位I/O端口扩展器，具有开漏输出和I2C界面。图2显示上拉至高于MCU电源电压的开漏输出I/O扩展器电路图。

 

图2：采用I/O端口扩展器基于照明方案的低成本微控制器

当I/O端口设定值较低时，I/O扩展器端口的电压是0V，电流正向偏置并开启LED。LED偏置电阻根据所需光度限制LED电流，同时作为开漏输出的上拉电阻。

当I/O扩展器输出端口设定值较高时，开漏输出关闭或I/O扩展器端口高抗阻和电压通过上拉电阻上拉至5V。由于电流不流动，LED将处于关闭状态。开漏输出配置的另一种优点是，当端口配置有高抗阻时，由于寄生电容，将需要更长时间关闭LED。与采用上拉输出的类似应用程序相比，这可能会稍稍延长开启下一排LED的时间。

 

MCP23018的16个I/O端口能够驱动高达16个LED。当开启LED时，电流量可能沉入I/O端口，并能够通过I/O扩展器输出驱动进行限制。对于0.6V最大电压，I/O端口低电平电压规定值为8.5mA电流。如果电流高于8.5mA，低电平电压将成倍增加。最大绝对电流值为25mA。

如果源电流限制值为5V/50mA，例如用户输入检测用微控制器、I/O扩展器及电阻器的预估电流是2mA，剩余可用电流可用于LED照明。如果LED在约10mA电流时具有充分的光度，每排可控制四个LED。在这个实例中，限流电阻器值约为440Ω。

图1所示计时可采用一个短MCU指令代码复制。例如，若伪代码为1，主要子程序可无限循环。在MCU计时器间隔（计时器0）内，中断服务程序向I/O扩展器发送仅开启一排LED的I2C指令。中断服务器计数或保存LED排的状态踪迹，例如当前开启一排，相应的I/O扩展器端口配置较高或较低。MCU重置之前或之后，当第一个计时器0中断，1排开启；接着，第二个中断，1排关闭2排开启；然后，第三个中断，2排关闭3排开启；最后，第四个中断，3排关闭4排开启，并且该排计数器变量清晰可见。在下一个中断时，1排开启4排关闭如此循环。其他变量，例如Command_byte、Address_pointer_bank1n2和Address_pointer_bank3n4为文件开头规定的常量。采用这种安排，电路输出所需光度，看似同时开启所有LED电源。

无效电路（无效）{   初始化()；     //初始化PIC微处理外围，包括计时器0和I/O扩展器外围   bank_counter =0；    //清除该排计数器变量   当（1）{}    //无限循环 } 无效中断，int_service（无效）{   TurnOffAll_LED()；        //子程序关闭当前点亮的所有LED   I2C_ start ()；   //I2C协议-启动信号子程序   I2C_send(Comand_byte)；  //I2C协议-发送字节子程序   如果(bank_counter == bank1){        //1排=0（规定常量）     I2C_send(Address_pionter_bank1n2)；          //发送外围寄存器地址指示器     I2C_send(‘0000 1111’)；   //I2C协议-发送该排状态（1排开启2排关闭）     bank_counter = bank_counter + 1；   }   如果(bank_counter == bank2){     //1排为常量1     I2C_send(Address_pionter_bank1n2)；  //发送外围寄存器地址指示器     I2C_ send(‘1111 0000’)；  //I2C协议-发送该排状态（2排开启1排关闭）     bank_counter = bank_counter + 1；   }   如果(bank_counter == bank3){    //1排为常量2     I2C_send(Address_pionter_bank3n4)；  //发送外围寄存器地址指示器     I2C_send(‘0000 1111’)；  //I2C协议-发送该排状态（3排开启4排关闭）   }     bank_counter = bank_counter + 1   如果(bank_counter == bank4){   //1排为常量3     I2C_send(Address_pionter_bank3n4)；   //发送外围寄存器地址指示器     I2C_send(‘1111 0000’)；  //I2C协议-发送该排状态（4排开启3排关闭）   }     bank_counter = 0；   I2C_stop()；   //I2C协议-结束信号子程序 }

伪代码1：微控制器中断服务程序代码流

调光控制和LED模式生成

使用微控制器应用程序，很容易生成有趣照明模式。I/O端口扩展器输出状态通过2字节RAM变量加载，标题是：Bank1n2_pattern和Bank3n4_pattern。每半个字节对应每一排。预先定义的查询表包括每一排1s和0s的各种模式。

为连续监测按钮开关的开启/关闭状态，在MCU代码-主要子程序的无限循环添加了IF THEN语句。当短暂按下按钮时，来自查询表的一种模式下载至两个字节的RAM中，标标题是：Bank1n2_pattern和Bank3n4_pattern。但计时器0中断时，将向I/O扩展器发送新模式，且LED根据新模式发亮。当用户继续短暂按下按钮开关时，主要子程序将通过查询表循环。为显示交替灯，简单发送上一模式的补充模式即可。例如，如果1排模式是“0101”，则补充模式是“1010”（如伪代码1片段-伪代码2所示）。

* * * 如果(bank_counter == bank1){       //1排为常量0   I2C_send(Address_pionter_bank1n2)；   //发送外围寄存器地址指示器   Bank1n2_pattern = ~Bank1n2_pattern； //使用‘~’补充变量   I2C_send((Bank1n2_pattern | ‘0000 1111’))；  //I2C协议-发送该排状态                       //（使用OR ‘|’设定1排开启2排关闭） bank_counter = bank_counter + 1；   } * * *

伪代码2：模式生成

 

 

然而，在该排开启/关闭IF THEN语句前，中断子程序须增加延迟，目测检查交替模式。这通过一个Delay_ON标志，以便在出现以下中断时，仅使用延迟计数器倒计时延迟的中断次数。该延迟值还可由用户使用电位计选定，其中中心标签连接至数字转换器（ADC）输入的MCU模拟芯片。该ADC的数字数据通过检测顶部四个字节（其具有16位）将最小延迟值调整至最大延迟值。通过检测顶部五个字节（或32位），可设定更精确的比率。最大延迟值可使LED光线达到最暗，同时，最小延迟值可使所有LED都开启。图3中的计时图显示了延迟位置t延迟。

* * * 无效中断int_service（无效）{   TurnOffAll_LEDs()；        //子程序关闭之前发亮的所有LEDs   如果(Delay_ON == ON){    //开启值常量1     Update_Timer0_Counter(Timer0delay_interval)；        //子程序更新计时器0       // Timer0delay_interval是设定最小延迟的常量     Delay_Counter = Delay_Counter – 1；           //倒计时延迟的中断次数     如果(Delay_Counter == 0){       Delay_ON = OFF；   //清除下一次中断的延迟标志       Delay_Counter  = Get_Delay_Counter()；//子程序检测用户输入                         //并且设定延迟计数器变量     }其他{       Delay_ON = ON； //保持延迟标志开启       返回；           //退出中断服务程序     }   }     I2C_start()；//I2C协议启动信号子程序   I2C_send(Comand_byte)；//I2C协议-发送字节子程序   如果(bank_counter == bank1{     //1排为常量0     I2C_send(Address_pionter_bank1n2)；//发送外围寄存器地址指示器     Bank1n2_pattern = ~Bank1n2_pattern；//使用‘~’补充变量     I2C_send((Bank1n2_pattern | ‘0000 1111’))；//I2C协议-发送该排状态                         //（使用OR ‘|’设定1排开启2排关闭）     bank_counter = bank_counter + 1；     Delay_ON = ON；//打开延迟标志     } * * *

伪代码3：查看照明模式的延迟代码应用

 

 

为控制每一排的时间间隔，调光控制使用脉动宽度调制（PWM）。计时器0中断间隔两个值，一个用于长间隔，另一个用于短间隔，与PWM比率成正比，通过拇指旋轮电位计设置；中心标签连接至ADC输入。分辨率级别可通过从ADC选择顶部4或5个字节来调节。计时器0计数位置通过比率调节，具有缩放ADC数据，其中100%的PWM等于最大计数位置（全部发亮）和0%的最小或最低调光等级。伪代码4显示16位PWM的比例方程式，且图3显示PWM间隔的计时图tPWM_LOW和tPWM_HIGH。

无效get_PWM_ratio（无效）{   双PotScale；//存储ADC输出比例的局部变量   双PWM_Percentage；//存储PWM变化百分比的局部变量   PotScale=(ADRESH)/16+1；测量ADC输出高字节   PWM_Percentage =1/16*PotScale；//从0至1测量输出，等于100%   PWM_High = Frequency_counter * PWM_Percentage；//设置PWM高计数器0值   PWM_Low = Frequency_counter *（1-PWM_Percentage）；//设置PWM低计数器0值             //PWM_High和PWM_Low为全程常量，             //且Frequency_counter为设置频率的常量计时器0值 }

伪代码4：子程序计算PWM比率

 

 

图3：PWM输出和计时延迟计时图

中断服务程序须更新下一次中断的计时器0计数位置。同时，其须检测持续时间是否用于PWM高电平或低电平时间。因此，须补充一些关于调光控制电位水平的检测说明，并使用PWM_High电平和PWM_low电平值，按比例计量计时器0计数位置（如伪代码4所示）。伪代码5显示调节PWM的代码；一个IF THEN语句用于检测PWM状态。

 

 

* * * 如果(bank_counter == bank1){//1排为常量0   如果(PWM_High_Low_flag == OFF){   //检查PWM状态标志     get_PWM_ratio()；//检测用户输入PWM比率     Timer0_counter =65535-PWM_High：//设定计时器0计数器变量     Update_Timer0_Counter(Timer0_counter)；        //子程序更新计时器0     I2C_send(Address_pionter_bank1n2)；  //发送外围寄器地址指示器     Bank1n2_pattern = ~Bank1n2_pattern； //使用‘~’补充变量     I2C_send((Bank1n2_pattern | ‘0000 1111’))；  //I2C协议-发送该排状态                         //（使用OR‘|’设定1排开启2排关闭）     PWM_High_Low_flag = ON；   //设置标志     Delay_ON = OFF；     }其他{     Timer0_counter = 65535 – PWM_Low；  //设置计时器0计数变量     Update_Timer0_Counter(Timer0_counter)；        //子程序更新计时器0     I2C_send(Address_pionter_bank1n2)；  //发送外围寄存器地址指示器     I2C_send(‘1111 1111’));；  //I2C协议-关闭所有LED     bank_counter = bank_counter + 1；     PWM_High_Low_flag = OFF；//清除标志     Delay_ON = ON；   } } * * *

伪代码5：PWM比率设定代码流

这种方法还可应用于带有额外程序存储器的中等8位微控制器，例如微芯科技有限公司的PIC16F系列。升级便可使主要子程序处理复杂的照明模式，例如追光灯。MCU的计时器1模块能够用于改变间隔时间，其中更新了追光模式的两个RAM字节。

设计师一直在寻求降低成本而缩减性能的新方式。为实现高效照明，许多方法能有效驱动几排用于LCD背光灯或照明模式应用程序的LED。在低功耗应用程序中，能够通过管理每排LED的时间间隔来控制LED。此外，低引脚数微控制器和I/O端口扩展器提供的另一种照明方案，成本较低且设计灵活。