基于PWM的LED照明功率控制系统设计

发光二极管（LED）已迅速成为许多照明应用的首选。 LED制造商对效率和亮度的改进意味着从汽车前照灯到仓库和工厂照明等应用几乎没有其他同等选择。 LED相对于其他选项的一个重要优势是其可控性，但这确实需要使用电子电路来充分利用该技术，而不会引入诸如闪烁或过热等问题。

不仅仅是LED的有效控制是必要的，照明系统需要能够自动响应环境光等条件的变化，以及可能通过网络连接发出信号的要求变化。

传感器靠近照明组件可以确定最合适的人工照明水平，以避免浪费电力的情况。在智能温室，高棚照明和街道照明等应用中，LED可以在环境条件有利的情况下完全关闭，并随着黑暗的增加逐渐上线。与此同时，远离窗户的仓库角落等较暗的区域可以安全，高效地点亮。

原则上，LED提供的亮度易于控制。 LED的光输出是正向电流的近似线性函数。为了提供一致的照明，LED需要恒定的驱动电流。所需的电流量不仅取决于LED，还取决于环境因素。通常，亮度 - 电流曲线增加。然而，电流的增加导致LED结温升高。结温过高会导致光输出降低，整体效率降低。

提供给LED的电流并不总是保持在恒定水平。相反，高频开关用于将平均电流脉冲输出到接近恒定的水平。大多数LED照明设计采用脉冲宽度调制（PWM）来提供电流控制。

基于PWM的LED功率控制在目标亮度级别的常见配置是计算固定的关闭时间。然后，电路根据电流测量值改变施加功率以适应条件的时间。固定关断时间方法的优点是纹波电流和平均电流水平仅取决于关断时间和LED正向电压。在固定的关闭时间内，正向电压取决于串中LED的温度和数量。

软件算法可以通过实现自适应电压补偿来补偿这些影响。该算法监控LED上的电压降，并调整关闭时间长度。然后通过调节所提供的峰值电流来控制平均LED电流，该峰值电流是在LED灯供电的MOSFET开启时测量的。

STMicroelectronics的STLUX系列照明控制器提供驱动方式多达六个LED串，借助于改进的降压拓扑功率转换器独立使用固定关断时间控制。 STLUX系列照明控制器采用的控制策略的核心是状态机，事件驱动（SMED）技术。这使得控制器可以操作多个LED串，每个LED都有自己的PWM发生器，并且无需软件干预即可独立响应外部和内部事件。

内置微控制器配置和编程SMED单元，如图1所示。该微控制器基于ST8微架构，该架构基于CISC设计，可实现高代码密度，并提供低功耗优化。

图1：SMED单元与管理程序核心和I/O之间的关系。

STLUX交换机中的六个SMED中的每一个在四个状态之间，在需要冻结PWM时钟直到满足退出条件的情况下增加保持状态。一个应用是调光。当监控控制决定启动调光占空比的关闭状态时，SMED进入保持状态。当关闭状态定时器达到其极限时，SMED切换回正常操作以进行常规，精确的PWM电压控制。

运动可以在四种状态中的任何一种之间，如图2所示。进入SMED控制状态机何时以及如何转换到新的目标状态，并且SMED可以链接以构建更复杂的状态机，其中不需要完全独立控制每个字符串。

图2：SMED单元可能的状态转换。

使用96 MHz的工作频率，PWM的最大分辨率为1.3 ns。 SMED架构允许控制器在10 ns内对事件做出反应。

为了支持固定关断时间配置，基本SMED提供了足够的状态来处理核心PWM周期以及故障响应和恢复。初始化后，SMED切换到S0，主要用于控制关闭时间。在此状态下，输出PWM线设置为0 V.定时器用于确定从S0退出的时间。为了支持调光，S0可以进入保持状态以保持输出为0 V.如果不需要调光控制，则状态移至S1。

S1用作电流斜坡和故障检测状态。在转换到S1期间，PWM输出线设置为高。这会打开输出功率MOSFET，并允许电流流入LED和检测电阻。在正常情况下，在SMED处于S1期间，电流不应达到峰值安全限值。在固定关闭时间算法中，S1通常被编程为在PWM周期的接通时间的三分之一过去之后退出：在S2期间处理接通时间的剩余部分。但是，如果非常早地达到电流限制，这在正常条件下不应发生，则表示发生错误，这会强制SMED进入S3。

S2是电流限制状态，用于在正常条件下查找峰值电流水平。电流峰值由STLUX DAC上配置的电压决定。当电流峰值到达时，SMED循环回到S0状态，PWM输出在下一个固定关闭时间周期开始时切换回0 V.

S3充当过流状态。在转换期间，PWM输出关闭以保护下游电路，并且定时器设置为最大值5μs。当定时器到期时，SMED进入S0进行新的循环，但也会产生内部MCU的中断，以便软件可以监控未来的循环，必要时停止SMED转换，并生成用户警报。容－源－电－子－网－为你提供技术支持