CN103491675A - 单pwm多组驱动以及功耗精确测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用MCU单通道PWM输出，对多路负载进行功率控制的电路，特别是利用廉价的MCU，对多路LED负载进行数字化驱动，根据工作需要，对每一路负载进行功率分配；通过新算法设计，将功率分配与PWM输出解耦合，使得廉价MCU的使用成为可能；新设计中可以针对单路负载进行测量，从而获得相应支路负载的工作状态，进行故障隔离；新设计可以在生产阶段将经过测试的校准数据写入MCU，从而使得MCU能够识别多种不同的负载。

Description

单PWM多组驱动以及功耗精确测量方法

技术领域

本发明涉及集成电路、电路硬件设计和嵌入式软件设计领域，特别是一种利用MCU单通道PWM输出，对多路负载进行功率控制的电路，利用廉价的MCU，对多路LED负载进行数字化驱动，根据工作需要，对每一路负载进行功率分配；通过新算法设计，将功率分配与PWM输出解耦合，使得廉价MCU的使用成为可能；新设计中可以针对单路负载进行测量，从而获得相应支路负载的工作状态，进行故障隔离；新设计可以在生产阶段将经过测试的校准数据写入MCU，从而使得MCU能够识别多种不同的负载。

技术背景

当前的驱动器电路，一般选择专用芯片进行设计，针对不同的负载、不同的工作条件，需要不同的设计。当负载变化较大时，驱动电路很复杂；当几个不同的负载工作时，需要预知对应的驱动电路。当前设计如图1所示。

连接关系如下：输入电压10.8V～24VDC，与芯片IN管脚、C2、C3、L1、LED连接，L1与Q1、D1连接，D1与LED、C3连接，Q1栅极与芯片NDRV管脚连接，Q1源极与电阻R1、芯片CS管脚连接。

工作过程如下：当MOS晶体管Q1导通时，能量开始在电感L1中储存，LED电流由电容C3提供；当MOS晶体管Q1截止时，电感L1中的能量转移到电容C3中，同时提供能量到LED中，转换到光能量输出。

目前的方式，对于一般的驱动器应用是足够的，方法简单，成本低廉；但是在不能够在智能控制***中应用，而且在参数调整过程中相关指标恶化而达不到节能、长寿命等要求。

传统方法的缺点为：

工作模式单一，不适合在复杂的环境下工作；

不能够动态调整负载的工作状态；

当多路负载存在时，不能够动态识别工作支路以及相应的工作状态；

无法诊断以及隔离存在故障的支路；

无法精确测量实时的功耗；

无智能控制接口，无法实现远程的智能网络控制。

本发明内容

本发明是通过如下方法实现的。

如图2所示为单PWM多组驱动以及功耗精确测量的电路，连接关系为：VCC与电感L1、D1、R11、C2、R6、R7、R8、R9、R10、LS10、LS20、LS30、LS40、LS50连接，MOS管PMOS1栅极与R10、R1连接，MOS管PMOS2栅极与R9、R2连接，MOS管PMOS3栅极与R8、R3连接，MOS管PMOS4栅极与R7、R4连接，MOS管PMOS5栅极与R6、R5连接，MOS管PMOS1源极与LS1N连接，MOS管PMOS2源极与LS2N连接，MOS管PMOS3源极与LS3N连接，MOS管PMOS4源极与LS4N连接，MOS管PMOS5源极与LS5N连接，MOS管PMOS1、PMOS2、PMOS3、PMOS4、PMOS5漏极与NMOS6漏极、D1连接，NMOS1漏极与R1连接，NMOS2漏极与R2连接，NMOS3漏极与R3连接，NMOS4漏极与R4连接，NMOS5漏极与R5连接，NMOS1、NMOS2、NMOS3、NMOS4、NMOS5栅极分别于MCU的GPIO1、GPIO2、GPIO3、GPIO4、GPIO5连接，，NMOS1、NMOS2、NMOS3、NMOS4、NMOS5源极接地，光耦的二极管输入端接店租R11，光耦的集电极余3.3V连接，光耦的射极与R12、C3、MCU的ADC CH1连接，二极管输出端与NMOS6漏极连接，NMOS6栅极与MCU的PWM输出端口连接，NMOS6的源极与R13、R14连接，R14与C1、OP filter的输入端连接，OP filter的输出端与MCU的ADC CH2连接，LED10、LED1x、LED1N组成负载支路1，LED20、LED2x、LED2N组成负载支路2，LED30、LED3x、LED3N组成负载支路3，LED40、LED4x、LED4N组成负载支路4，LED50、LED5x、LED5N组成负载支路5，MCU与其它设备通过I2C、RS485总线进行通信。

工作原理如下：

当MCU GPIO[1/2/3/4/5]输出为“1”，对应的NMOS[1/2/3/4/5]导通，相应的PMOS[1/2/3/4/5]的栅极电压降低，PMOS晶体管导通，使得相应的负载之路1/2/3/4/5接入工作回路。

当PWM输出为“1”，NMOS6导通，VCC电压经过L1、负载支路、NMOS6、R13接地，VCC电源再给负载支路供电的同时，将部分多余能量储存在L1、C2中；当PWM输出为“0”，NMOS6截止，L1、C2中储存的能量给负载支路供电，电流经过D1构成回路。

整个驱动，负载工作在横流模式下，电压以及电流的波动很小。

负载支路断路故障检测：利用MCU GPIO将相应的负载支路接入回路，PWM工作一个固定的时间片断，通过ADC CH1与ADC CH2的数据判断。如MCU GPIO1输出“1”，负载支路1接入回路，PWM工作100ms。若负载支路1正常工作，负载支路压降通过光耦产生在电阻R12上产生压降，经过ADC CH1转换为数字信号，此数据与缺省设置差别不大，同时ADC CH2获得此负载支路的工作电流；若负载支路1断路，VCC通过光耦产生在电阻R12上产生压降，经过ADC CH1转换为数字信号，此数据与VCC的数字表示差别不大，但不是负载支路的压降，同时ADC CH2无法获得此负载支路的工作电流。

负载支路短路或者部分短路故障检测：负载支路全部短路，则ADC CH1中的获得数据接近“0”，而ADC CH2获得的数据接近最大值；负载支路部分短路，ADC CH1中的获得数据接偏小，而ADC CH2获得的数据偏大。

负载支路负载单元个数的检测：单元负载的压降大约为3.3V，此电压通过光耦，在电阻R12上产生的电压为(3.3-1.1)*R12/R11*CTR，CTR为光耦中输入电流与输出电流的转换效率，此电压通过ADC CH1转换为数字数据；当负载支路中有N个单元负载时，在电阻R12上产生的电压为(N*3.3-1.1)*R12/R11*CTR，此电压通过ADC CH1转换为数字数据。通过转换的数据与缺省数据的比对，可以确定每个负载支路中的单元负载的个数。

解耦合：当负载支路中单元负载的个数确定后，整个***中色温的调制、色彩的调制与总功耗的PWM控制是相互分离的。

PWM的功耗控制：如MCU工作在16MHz时钟，而PWM采用固定频率的256KHz，则每个256KHz的PWM中，容纳64个时钟周期，设定有8个负载支路，每个负载支路在满负荷工作下，需要64/8＝8个时钟周期的占空比。

每一个负载支路满负荷工作，需要256KHz固定频率PWM中8个时钟周期的占空比(时钟信号为16MHz)，当回路中有N个负载支路时，总的PWM占空比需要N*8个时钟周期。

以上对功率的控制，不需要复杂的算法支持，仅仅根据MCU相关GPIO管脚输出为“1”的个数，就可以确定PWM的占空比。

此时如果需要降低功率，可以将每串负载的8个时钟周期占空比的时间，降低为7个、6个、5个等时钟周期即可，当占空比位0个时钟周期，则负载被关闭。

色温控制：针对负载中有多路不同色温负载的情况，客户在应用中可以对色温进行调节控制，色温可以在冷色调、中性、暖色调中根据客户需求调节。

如图6所示，GPIO1控制冷白光负载支路是否接入驱动回路，GPIO2控制暖白光负载支路是否接入驱动回路。当GPIO1为“1”时而其他负载支路控制端口为“0”，回路发出冷白光；当GPIO2为“1”时而其他负载支路控制端口为“0”，回路发出暖白光；当GPIO1和GPIO2同时为“1”时而其他负载支路控制端口为“0”，回路发出近似中性白光。

当一条负载支路接入回路时，PWM输出为标准的单元占空比；当增加负载支路接入回路时，PWM输出为标准的单元占空比*接入回路的支路数目。

人眼对色温调节过程的变化速度大于每秒钟25次后，基本无法察觉调节的间歇特性。即GPIO1和GPIO2的调节周期必须高于25Hz。如选定调节的周期为1KHz，则显示出的色温仅与1ms内GPIO1和GPIO2的输出为“1”的时间比例相关，当GPIO1输出为“1”的时间大于GPIO2输出为“1”的时间，则显示冷色调，当GPIO1输出为“1”的时间小于GPIO2输出为“1”的时间，则显示暖色调。

GPIO1的输出可以与GPIO2的输出同步，也可以不同步。

色彩控制：针对负载中有多路不同色彩负载的情况，客户在应用中可以对色彩进行调节控制，色彩可以在RGB原色的混合中得到客户需要的。

如图7所示，GPIO3控制红光负载支路是否接入驱动回路，GPIO4控制绿光负载支路是否接入驱动回路，GPIO5控制蓝光负载支路是否接入回路。当GPIO3为“1”时而其他负载支路控制端口为“0”，回路发出红光；当GPIO4为“1”时而其他负载支路控制端口为“0”，回路发出绿光，当GPIO5“1”时而其他负载支路控制端口为“0”，回路发出蓝光。

当一条负载支路接入回路时，PWM输出为标准的单元占空比；当增加负载支路接入回路时，PWM输出为标准的单元占空比*接入回路的支路数目。

人眼对色彩调节过程的变化速度大于每秒钟25次后，基本无法察觉调节的间歇特性。即GPIO3、GPIO4、GPIO5的调节周期必须高于25Hz。如选定调节的周期为1KHz，则显示出的色彩仅与1ms内GPIO3、GPIO4、GPIO5的输出为“1”的时间比例相关。经过对RGB负载支路的校准，配色可以实现与液晶显示器相应的等级，R:G:B＝[0～255]:[0～255]:[0～255]。配色中RGB的比例就是相应GPIO3、GPIO4、GPIO5的输出为“1”的时间的比例，相应比例可以通过针对高速时钟的计数得到。

GPIO1的输出可以与GPIO2的输出同步，也可以不同步。

负载功率的精确测量：精确测量功率需要精确测量负载的电压以及电流。负载的电压测量通过与负载并联的光耦实现，电流测量通过NMOS6导通时流经电阻R13的电流，经过按比例计算得到。

电压测量借助光耦器件实现。任何一个负载支路接入回路工作时，在光耦的输入端口产生一个压降，负载支路有1个单元负载时，电压大约为3.3V，负载支路有N个单元负载时，电压约为N*3.3V。光耦的输入端二极管压降约为1.2V，则输入端口的电流约为

(N*3.3-1.2)/R11

光耦的射极输出端口电流＝(N*3.3-1.2)/R11*CTR，其中CTR为光耦中输出端口电流与输入端口电流的比例，针对任何一个特定的光耦器件，在一定的温度下，CTR为一条已知的曲线。

光耦射极电流通过电阻R12和电容C3，产生一个电压，电压经过MCU的ADC CH1管脚后，在MCU内转换为一个数字信号。MCU内部的ADC转换精度一般在10比特，即误差在0.1％。

在工作温度下，负载的工作电压与MCU中的ADC CH1数据时一一对应的，但是对应曲线是非线性的。

电压对应曲线在试产阶段通过变换负载，以精确的电压测量与MCU中的数据进行比较得到，在实际运用中，将曲线近似为多段折线进行对应。折线的段数与近似的误差相关，误差允许范围越大，折线段数越少。

电流测量借助电阻R13以及运算放大器组成的低通滤波器、MCU中的ADC CH2实现。负载工作时，NMOS6不断导通、截止，NMOS6导通时流经电阻R13的电流逐步增加，R13产生的电压经过R14、C1组成的低通滤波器，再经过运算放大器组成的低通滤波器后，在MCU内部通过ADC转换为数字信号。

MCU中的测量的是流经电阻R13的平均电流(低频部分)，而此电流是与负载工作的电流时一一对应的，对应曲线是非线性的。

在工作温度下，负载的工作电流与MCU中的ADC CH2数据时一一对应，电流对应曲线在试产阶段通过变换负载，以精确的电流测量与MCU中的数据进行比较得到，在实际运用中，将曲线近似为多段折线进行对应。折线的段数与近似的误差相关，误差允许范围越大，折线段数越少。

整个模组的功耗与负载的工作功率一一对应，对应曲线是非线性的。通过生产阶段的相关数据，得到负载在不同的负载功率下的效率数据，即可获得整个模组的功耗。

本发明的优点为：

工作模式多样，负载支路实时可控；

能够动态调整负载的工作状态，达到客户需求；

当多路负载存在时，能够动态识别工作支路以及相应的工作状态；

能够诊断以及隔离存在故障的支路；

能够精确测量实时的功耗；

控制算法简单，将总体的功率控制、负载支路工作状态、色温色彩控制解耦合；

成本低，利用廉价的MCU芯片即可实现；

色温、色彩的控制灵活多样，能够最大限度满足市场需求；

有智能控制接口，可以实现远程的智能网络控制。

附图说明。

图1：现在的驱动电路结构

图2：基于MCU单PWM多组驱动以及功耗精确测量结构

图3：生产线测试与校准框架

图4：生产线测试与校准流程

图5：光耦模组

图6：色温调制

图7：色彩调制

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的详述。

如图3所示生产线测试与校准框架，连接关系为：PC以RS485总线连接直流电压源、电流表、电压表、MCU继电器控制板、待测模组；直流电压源产生电压VCC，连接继电器Relay1、RelayN、Relay10以及待测模组，继电器Relay1、RelayN、Relay10分别与负载1、负载N、负载10连接；电压表直接与负载连接，测量负载工作电压；每个负载中有M条负载支路，每条负载支路包含1～10个负载单元，负载1、负载N、负载10通过M条总线与待测模组连接。

工作原理为：PC发送指令到MCU继电器控制板，将Relay1导通，其他截止，负载1接入测试，在直流电压源供电后，逐步将负载1中的M条支路接入回路，电压表测量负载的实际电压，电流表测量模组的电流，从而获得模组在工作时的精确功率数据，同时通过RS485总线，获得待测模组中通过内部MCU得到的电压、电流的数字数据。

将Vf分别为3.1V、3.2V、3.4V、3.5V单元负载接入回路，代替Vf为3.3V的标准单元负载，重复上述测试，得到5组数据：模组整体功率数据、实际测得的负载电压数据、待测模组自己测得的负载电压数据(MCU的ADC CH1数据)、待测模组自己测得的负载电流数据(MCU的ADC CH2数据)、针对功率的效率参数(各种情况下负载的功耗/整个模组的功耗)。

PC发送指令到MCU继电器控制板，将RelayN导通，其他截止，负载N接入测试，重复以上操作得到5组数据。

重复以上操作，直至所有负载测试完毕。

将以上获得的数据，写入待测模组MCU内的存储器内

如图4所示生产线测试与校准流程，测试与校准是通过计算机程序自动进行的，测试完毕后，得到最多5*10*5*M数据，根据不同的需求，可以将部分数据写入待测模组MCU的内部存储器中。

在电压N*[3.1，3.2，3.3，3.4，3.5]V下的不同负载，获得的精确模组功率与待测模组内部ADC转换后的数据换算的功率之间存在一个效率参数，此参数通过以上那个5个测试点，连接为一条折线。通过折线之间的换算，可以得到效率参数的一条折线。在实际应用中，通过模组中MCU得到实际电压、电流数据后，按照效率折线计算相应的实际功耗数据，每间隔一个确定的时间段，上报此时间段内的功耗给上位机。

通过电压数据，辅助以测得的电流数据，可以得到负载的一些具体信息。

相关数据通过RS485总线上报给上位机，从上位机获得指令运行。

如图5所示光耦模组，连接关系为：光耦输入端接电压N*3.3V，串联一个电阻3.3KΩ在输入端回路中；光耦输出端接电压3.3V，同时串联一个电阻220Ω在回路中。

工作原理为：光耦工作在线性区，输入端的最大电流不超过12mA，输出端保证V_CE电压大于0.4V。一般情况下，输入端二极管压降1.2V，最大的负载支路中单元负载的个数为10，因此输入端最大电流＝(10*3.3-1.2)/3.3mA；输出端最大电流＝(10*3.3-1.2)/3.3mA*CTR。

光耦中CTR参数根据不同厂家的制造而不同，伴随电流的增大而增大，也随着温度的增加而变化，变化范围[0.2～1.2]。

输出端最大电压＝(10*3.3-1.2)/3.3*1.2*0.22＝2.54V，满足V_CE≥0.4V的要求。

本发明可以利用MCU以及晶体管器件、电阻电容等器件实现，也可以将相关模组集成在一个芯片内实现。

Claims (7)

1.一种利用MCU单通道PWM输出，对多路负载进行功率控制的电路，包括4个部分：多路负载、负载支路控制矩阵、光电耦合模组、MCU驱动模组。多路负载是根据客户需求，每一路负载的个数与负载的支路数目是可以变化的；负载支路控制矩阵是针对每一条支路进行开关控制，将该支路负载接入或者进行旁路处理；光电耦合模组测量每一条支路的工作电压；MCU驱动模组使用PWM信号控制大功率晶体管，获得负载需要的驱动能力；在生产阶段将电路的校准数据写入后，可以精确测量负载的功耗以及识别负载的具体内容，针对故障进行隔离；利用MCU进行近距离和远距离通信。 

2.根据权利要求书1所述构造的电路负载，其特征为：负载可以是多路，每一路负载由多个单元负载构成。 

3.根据权利要求书1所述构造的负载支路控制矩阵，其特征为：控制任意一路负载是否接入工作电路，或者多路负载同时接入工作电路。 

4.根据权利要求书1所述构造的光电耦合模组，其特征为：光电耦合模组工作在线性区，并联挂接在负载支路上。 

5.根据权利要求书1所述的精确测量，其特征为：生产线写入校准数据后；可以精确测量负载的电压、电流参数，通过校准数据获得精确的负载功耗数据。 

6.根据权利要求书1所述的故障隔离，其特征为：***根据预先写入的校准数据，通过与实际测量数据比对，识别负载的工作状态，通过负载支路控制矩阵，将有故障的支路进行隔离处理。 

7.根据权利要求书1所述的近距离和远距离通信，其特征为：MCU利用I2C总线进行近距离通信，利用RS485总线进行远距离通信，通信可以是全双工、半双工或者单向的。 

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