Pwm driver что это

Обновлено: 07.07.2024

Рис. 1. Зависимости прямых падений напряжения от тока для светодиодов разных цветов

Рис. 2. Зависимости светового потока от прямого тока через светодиоды разных цветов

Линейные драйверы светодиодов

Компания Maxim выпускает линейные и импульсные драйверы светодиодов. Выходной каскад линейных драйверов представляет собой генератор тока на полевом транзисторе с p-каналом. Структура и типовая схема включения линейного драйвера показана на рис. 3.

Рис. 3. Типовая схема включения и структура линейного драйвера

Ток через последовательно включенные светодиоды задается резистором RSENSE (датчиком тока). Падение напряжения на этом резисторе определяет выходное напряжение дифференциального усилителя DIFF AMP, поступающее на неинвертирующий вход регулирующего усилителя IREG. Регулирующий ОУ сравнивает напряжение ошибки с опорным, формируя на своем выходе потенциал для управления полевым транзистором с p-каналом, работающим в линейном режиме, поэтому рассматриваемые драйверы проигрывают в эффективности импульсным. Однако линейные драйверы обладают простотой применения, низкой ценой и минимальными электромагнитными излучениями (ЭМИ).

В некоторых приложениях (например, в автомобильных) цена и простота применения имеют определяющее значение при выборе светодиодного драйвера. Основные параметры линейных драйверов светодиодов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Линейные драйверы мощных светодиодов (Linear HB LED drivers)

Рис. 4. Управление яркостью светодиодов с помощью таймера ICM7555

Рис. 5. Защита светодиодов от перегрева с помощью термистора

На рис. 6 показан способ увеличения выходного тока драйвера с помощью внешнего биполярного транзистора. Следует отметить, что в этом случае светодиоды подключаются между входом источника питания и коллектором биполярного транзистора, а это не всегда удобно.

Рис. 6. Увеличение тока драйвера с помощью внешнего биполярного транзистора

Схема для увеличения выходного тока, показанная на рис. 7, свободна от этого недостатка. Катод нижнего по схеме светодиода подключается непосредственно к общему проводу, что в большинстве случаев гораздо предпочтительнее предыдущего варианта, показанного на рис. 6, когда на катоде нижнего светодиода всегда присутствует ненулевой потенциал. Большинство микросхем линейных драйверов из таблицы 1 допускают рассмотренные варианты увеличения выходного тока. В качестве примера на рисунках 6 и 7 приведена микросхема MAX16803.

Рис. 7. Параллельное включение двух драйверов для увеличения выходного тока

Импульсные драйверы светодиодов

Для портативных осветительных приборов очень важен высокий КПД преобразования светодиодных драйверов, поэтому в их схемах используются импульсные DC/DC-преобразователи с разными топологиями и схемными решениями, обеспечивающими стабилизацию выходного тока. Высокий КПД преобразования импульсных драйверов светодиодов позволяет увеличить время работы автономного источника питания.

Компания Maxim выпускает семейство импульсных драйверов для питания светодиодов постоянным током, имеющих возможность регулировки яркости при помощи аналогового или цифрового сигнала с ШИМ. Основные параметры и области применения этих драйверов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Импульсные драйверы мощных светодиодов (Switch-mode HB LED drivers)

Несколько слов о способах регулировки яркости светодиодов с помощью импульсных драйверов. Наиболее популярны аналоговая и ШИМ-регулировка. Оба метода имеют свои преимущества и недостатки. Управление интенсивностью свечения с помощью ШИМ-регулирования позволяет значительно ослабить отклонение цветового оттенка светодиода, но требует дополнительного формирователя последовательности импульсов ШИМ. Регулировка яркости аналоговым методом основана на более простой схеме, но он может оказаться недопустимым при необходимости поддержания постоянной цветовой температуры светодиодов.

Аналоговая регулировка изменяет величину постоянного тока светодиода. Управление силой света светодиода обычно производится регулировкой переменного резистора или переменным уровнем управляющего напряжения, подаваемым на специально предназначенный для этого вход. Метод регулировки светового потока светодиода с помощью ШИМ заключается в периодическом включении и выключении тока через светодиод на короткие промежутки времени. Частота ШИМ обычно выбирается не менее 200 Гц для полного исключения эффекта мерцания и создания комфортного восприятия светового потока человеком. Интенсивность свечения светодиода при управлении с помощью ШИМ пропорциональна рабочему циклу импульсной последовательности.

Многие современные микросхемы импульсных драйверов светодиодов имеют специальный вход PWM DIM, на который можно подавать сигналы ШИМ разных частот и амплитуд, что существенно упрощает сопряжение драйвера со схемами внешней логики. Дополнительно для управления светодиодным драйвером могут использоваться вход разрешения выхода и другие логические функции.

Адаптер серии Аpmw предназначен для управления штатными блоками вентиляторов по средствам генерируемого ШИМ-сигнала, на основании показаний температуры от внешнего или штатного датчика ОЖ. Будет полезен после СВАПа, замене, перепрошивке или глюке родного ЭБУ мотора.

Версия адаптера Apwm по формфактору ничем не отличается от прежней версии (ACBpwm), но претерпела изменения в самой электронной схеме, а так же в алгоритме работы прошивки.

ЧТО ИЗМЕНИЛОСЬ
В электронной схеме:
— добавлен отдельный стабилизатор питания для микроконтроллера;
— ШИМ-выход теперь имеет двухтактную схему (биполярный драйвер);
— джампер-конфигуратор ШИМ-сигнала теперь выполнен на штыревых колодках для удобства переключения;
— добавлен джампер-конфигуратор аналогового входа сигнала температуры (для избежания конфликта по питанию со штатным датчиком в некоторых авто);

По алгоритмам прошивки:
— доработаны алгоритмы работы с постоянной памятью микроконтроллера;
— добавлены режимы частот ШИМ 100/200/250/300/350Гц а так же отдельная прошивка с частотами 10/25Гц
— добавлен режим "холостого ШИМ-сигнала" с заполнением 10% (для корректной работы некоторых штатных блоков вентилятора)

Более подробное описание устройства можно прочесть тут!

В комплекте, как и прежде, идет отдельный NTC-датчик под врезку с резьбой M8

Хоть адаптер и поддерживает возможность подключения от штатного ДТОЖ, но всё таки рекомендация — использовать датчик из комплекта! Врезаться нужно как можно ближе к ГБЦ, обеспечивая постоянный контакт с горячей охлаждающей жидкостью

Адаптер совместим со всеми блоками, что управляются ШИМ-сигналом с частотами от 10 до 350Гц. Джампер-конфигуратором выходного ШИМ-сигнала блока Apwm можно настроить амплитуду +5/+12В, а так же инвертировать сигнал (например для некоторых блоков от BMW).

Большой популярностью адаптер пользуется у владельцев блоков типа 89257-Toyota/Lexus/Nissan, ESG-Mercedes-Benz/SanYong, Temic ECL — Mercedes-Benz/BMW/WAG

И как пример — схемы подключения для некоторых из них:

А для любителей самоделок предлагаю "НАРОДНУЮ" схему на базе Ардуино для вышеупомянутых блоков:

Проект для Ардуино можно скачать тут

Так же тем, кто впервые попал на мой блог предлагаю ознакомиться с моим проектом полноценного универсального силового блока управления вентилятором:
Универсальный блок управления вентилятором серии А600

Концепция NFC-PWM от Infineon предполагает использование для управления драйверами светодиодов NFC-микросхем с ШИМ-выходом, таких как NLM0010 и NLM0011. С помощью этих ИС можно обойтись без дополнительного микроконтроллера при NFC-программировании драйвера и при автоматическом поддержании постоянного светового потока в процессе старения светодиода.

Производители светодиодных источников питания все чаще предлагают своим потребителям две новых функции: NFC-программирования и поддержания постоянного светового потока (Constant Lumen Output, CLO). Функция NFC-программирования позволяет отказаться от использования токозадающих резисторов и тем самым снизить трудозатраты на монтаж и настройку светодиодных осветительных приборов. Устройства с поддержкой функции CLO могут компенсировать вызванное старением снижение светового потока светодиодного модуля за счет подстройки тока светодиода в течение всего срока службы. Эта функция не только позволяет повысить качество освещения, но и помогает снизить уровень потребления за счет работы с оптимальным током.

Возникает вопрос: возможно ли создание светодиодных драйверов среднего и бюджетного ценовых диапазонов с функцией NFC-программирования? Рассмотрим новую концепцию NFC-PWM от Infineon, которая предполагает использование NFC-микросхем с ШИМ-выходом, обеспечивающих максимальную гибкость эксплуатации светодиодных осветительных приборов.

Перспективы использования NFC-технологии в освещении

В сегменте светодиодных осветительных приборов NFC-программирование является относительно новой функцией. Термин NFC (ближняя бесконтактная связь) относится к набору протоколов, которые обеспечивают беспроводную связь между близко расположенными устройствами. В освещении эта технология используется для беспроводной настройки рабочих характеристик светодиодных источников света. Параметры, передаваемые в ходе беспроводного обмена, определяются требованиями конкретного приложения. NFC-программирование быстрее и проще, чем традиционные способы подстройки яркости освещения. Поддержка NFC-программирования расширяет функционал светодиодных драйверов, делая их более гибкими.

В типовом случае беспроводной обмен данными производится между NFC-считывателем (NFC reader) и NFC-меткой (NFC tag), встроенной в драйвер светодиода. NFC-метка отвечает за хранение данных. NFC- считыватель подключается к управляющему ПК. ПК и специализированное программное обеспечение передают команды управления на NFC-метку через NFC-считыватель по беспроводному каналу. Передаваемые параметры предварительно конфигурируются в прикладном программном обеспечении с учетом характеристик конкретного осветительного прибора (рисунок 1).

Рис. 1. NFC-программирование драйверов: обзор системы

Что делает NFC самой привлекательной беспроводной технологией для светодиодных драйверов? Ответ прост – его уникальные характеристики:

Ближняя бесконтактная связь подразумевает возможность обмена информацией и программирования только в том случае, если устройства правильно ориентированы в пространстве друг относительно друга. Эта особенность имеет большое значение в промышленном окружении и значительно упрощает процесс идентификации и аутентификации.
При использовании NFC-считывателя NFC-метка может работать без внешнего источника питания. В таких случаях для питания NFC-метки будет достаточно энергии радиочастотного поля, формируемого NFC-считывателем. В результате программирование NFC-метки в процессе производства можно выполнить без физического подключения к источнику питания и программатору. Это огромное преимущество, которое существенно повышает производительность производства.
Работа в нелицензируемом ISM-диапазоне (Industrial, Scientific, Medical) с центральной частотой 13,56 МГц и соблюдение стандартов позволяют использовать данную технологию повсеместно.
Малая скорость передачи данных (106…424 кбит/с) и низкая рабочая частота (13,56 МГц) уменьшают сложность аппаратной части беспроводного устройства. В большинстве случаев для реализации NFC-устройства будет достаточно простой и недорогой печатной антенны. По сравнению с другими технологиями беспроводной связи, такими как BLE, стоимость реализации NFC-канала невысока.

Помимо технических преимуществ у NFC есть и ряд других достоинств, позволяющих снизить стоимость осветительных систем. Например, производитель светодиодных драйверов может автоматически задавать уровень тока в процессе производства, чтобы сэкономить на рабочей силе, и даже выполнять настройку параметров перед отправкой продукции, что обеспечивает гибкость поставок и позволяет сэкономить на логистике.

Беспроводная настройка упрощает процесс калибровки осветительных приборов. Более того, конечный продукт дает больше свободы и обеспечивает большую гибкость при эксплуатации. Производители могут легко запрограммировать драйвер светодиода в соответствии с параметрами светодиодного модуля. Это в свою очередь облегчает смену светодиодных модулей. При NFC-программировании управление световым потоком осветительного прибора оказывается более точным в отличие от использования токозадающих резисторов, при котором изменение светового потока происходит ступенчато. Логистика продукции существенно упрощается, так как с помощью NFC-программирования можно сконфигурировать устройство в соответствии со стандартами страны импортера.

Не последним по значимости преимуществом NFC-программирования становится возможность настройки параметров на этапе монтажа системы освещения. Любую индивидуальную конфигурацию освещения, идеально соответствующую требованиям конкретного пользователя, можно легко задать на завершающем этапе монтажа (и даже после).

Рассмотрим, каким образом функция NFC реализуется в традиционных системах освещения.

Традиционная концепция: микроконтроллерные NFC-устройства

Традиционное NFC-устройство состоит из микроконтроллера и динамической NFC-метки (рисунок 2). Главным преимуществом такой архитектуры становится возможность реализации широкого функционала. Однако стоимость микроконтроллерных NFC-устройств оказывается достаточно высокой сразу по нескольким причинам:

перечень компонентов, используемых в таком NFC-устройстве, оказывается внушительным из-за использования микроконтроллера и сопутствующих пассивных компонентов;
необходимо использовать многослойную печатную плату (если в драйвере светодиода применяется однослойная или двухслойная печатная плата, то необходима отдельная дочерняя плата);
наличие микроконтроллера предполагает написание и прошивку встроенной программы. Это становится дополнительной проблемой, особенно для тех производителей, которым не хватает опыта и знаний в области написания встраиваемого программного обеспечения для микроконтроллеров.

Рис. 2. Традиционная структура микроконтроллерного NFC-устройства

Существует ли более компактное и эффективное решение с меньшим числом компонентов и более привлекательной стоимостью? Как раз для таких случаев компания Infineon предлагает свой вариант в виде NFC-драйверов с ШИМ-управлением.

Новая концепция: использование NFC-микросхем с ШИМ-выходом (NFC-PWM)

Решение, предлагаемое Infineon, подразумевает реализацию функций NFC-программирования и CLO с помощью интегральных NFC-микросхем с ШИМ-выходом (рисунок 3). Выходной ШИМ-сигнал используется для непосредственного управления аналоговым светодиодным драйвером. Таким образом, необходимость в микроконтроллере отпадает.

Рис. 3. Новая концепция NFC-PWM от Infineon: NFC-устройства с ШИМ-управлением

Устройства, построенные по предлагаемой схеме, состоят из четырех основных компонентов: антенны, NFC-микросхемы с ШИМ-выходом, RC-фильтра и микросхемы драйвера светодиодов.

Принцип работы прост: на выходе NFC-микросхемы генерируется ШИМ-сигнал. Настройка параметров этого сигнала осуществляется с помощью беспроводного NFC-канала. ШИМ-сигнал, проходя через RC-фильтр, преобразуется в сигнал постоянного напряжения, который подается на вход управления драйвера (рисунок 4). В результате, изменяя коэффициент заполнения ШИМ, можно регулировать управляющее напряжение и выходной ток драйвера.

Рис. 4. Схема NFC-устройства с ШИМ-управлением

Решение, предлагаемое компанией Infineon, строится на базе интегральных NFC-микросхем NLM0010 и NLM0011 с ШИМ-выходом, которые предназначены для светодиодных приложений. В дополнение к NFC-программированию, эти микросхемы имеют расширенный функционал, например, поддерживают CLO, выполняют подсчет времени работы и числа включений/выключений. При этом от разработчиков драйвера не потребуется каких-либо дополнительных усилий, связанных с написанием программы для микроконтроллера или доработки аппаратной части устройства.

ШИМ-сигнал определяется тремя рабочими параметрами: амплитудой, коэффициентом заполнения и частотой. Коэффициент заполнения характеризует отношение времени, в течение которого сигнал находится в состоянии с высоким напряжением, к периоду сигнала. Частота определяет скорость следования ШИМ-импульсов. Для преобразования ШИМ-сигнала в сигнал постоянного напряжения можно использовать пассивный RC-фильтр. Напряжение этого стабилизированного сигнала определяется коэффициентом заполнения исходного ШИМ. Таким образом, изменяя коэффициент заполнения ШИМ, можно регулировать напряжение выходного сигнала управления (формула 1):

DC – коэффициент заполнения ШИМ;
V_oh – высокое напряжение на выходе ШИМ;
V_ol – низкое напряжение на выходе ШИМ.

Стабильность ШИМ-сигнала напрямую определяет стабильность поддержания выходного тока светодиодного драйвера. По этой причине крайне важно оценить требования к допускам и возможности NFC-микросхем на ранней стадии проектирования. Критическими параметрами для NFC-микросхем являются коэффициент заполнения и абсолютный размах ШИМ-сигнала (V_oh – V_ol).

Микросхемы NFC-PWM генерируют ШИМ-сигнал с фиксированной амплитудой 2,8 В. Благодаря встроенному стабилизатору напряжения (LDO) уровень и стабильность напряжения внешнего источника питания не влияет на амплитуду ШИМ. Коэффициент заполнения ШИМ может быть настроен в диапазоне 0…100% с погрешностью менее 0,1%. Разрешение ШИМ зависит от выбранной частоты: 15 бит при 1 кГц или 10 бит при 30 кГц. Таким образом, благодаря новым микросхемам серии NFC-PWM производства Infineon можно обеспечить высокую точность поддержания выходного тока драйвера без каких-либо значительных усилий. Малой погрешности можно достичь на этапе производства за счет внедрения дополнительного этапа калибровки.

Реализация CLO-функции

CLO – это функция, которая позволяет осветительному прибору выполнять саморегулировку и тем самым бороться с естественным ухудшением эффективности светодиодов в процессе их старения. CLO-функция поддерживает постоянный световой поток за счет регулирования тока светодиодов.

Благодаря совместимости с существующими аналоговыми драйверами светодиодов и спецификацией NFC-программирования Module-Driver Interface Special Interest Group (MD-SIG), новая концепция NFC-устройств с ШИМ-управлением идеально подходит для бюджетных приложений.

На форуме достаточно часто встречаются вопросы по реализации Широтно Импульсной Модуляции на микроконтроллерных устройствах. Я и сам очень много спрашивал по этому поводу и, разобравшись, решил облегчить труд новичкам в этой области, так как информации в сети много и рассчитана она на разработчиков разного уровня, а сам я только- только в нем разобрался и память ещё свежа.

Так как для меня самым важным было применение ШИМ именно для управления яркостью светодиодов, то именно их я и буду использовать в примерах. В качестве микроконтроллера будем использовать горячо любимый ATmega8.

Для начала вспомним, что такое ШИМ. ШИМ сигнал - это импульсный сигнал определенной частоты и скважности:

Частота, это количество периодов за одну секунду. Скважность- отношение длительности импульса к длительности периода. Можно изменять и то и другое, но для управления светодиодами достаточно управлять скважностью. На картинке выше мы видим ШИМ сигнал со скважностью 50 %, так как длительность импульса (ширина импульса) ровно половина от периода. Соответственно светодиод будет ровно половину времени во включенном состоянии и половину в выключенном. Частота ШИМ очень большая и глаз не заметит мерцания светодиода из за инерционности нашего зрения, поэтому нам будет казаться, что светодиод светится на половину яркости. Если мы изменим скважность на 75%, то яркость светодиода будет на 3 четверти от полной, а график будет выглядеть так:

Получается, что мы можем регулировать яркость светодиода от 0 до 100 %. А теперь поговорим о таком параметре ШИМ, как разрешение. Разрешение- это количество градаций (шагов) регулировки скважности, мы будем рассматривать разрешение в 256 шагов.

С параметрами вроде разобрались, теперь поговорим о том, как нам получить этот самый ШИМ от микроконтроллера. Берем остро заточенный разогретый паяльник и начинаем пытать МК, одновременно подцепившись к двум его ногам осциллографом и проверяя наличие на них сигнала нужной нам скважности. В микроконтроллерах есть аппаратная поддержка ШИМ и несколько каналов для него, в нашем случае 3. За выдачу ШИМ отвечают определенные выводы МК, в нашем случае OC2, OC1A, OC1B (15,16,17 нога в DIP корпусе). Так же для этого используются таймеры микроконтроллера, в нашем случае TC1, TC2. Так как же сконфигурировать МК для выдачи сигнала необходимой скважности? Все очень просто, для начала сконфигурируем нужные нам ноги на выход:

Далее начнем конфигурировать таймеры. Для таймера TC1 нам потребуются два регистра: TCCR1A и TCCR1B. Открываем даташит и читаем как настраиваются эти регистры. Я настроил его на 8 битный сигнал ШИМ, что соответствует разрешению в 256 шагов:

Для таймера TC2 мы будем использовать регистр TCCR2=0x69;. Его настройка выглядит так:

Всё, таймеры сконфигурированы. Скважность будем задавать регистрами OCR1A,OCR1B, OCR2:

Зададим требуемые скважности:

Ну и поместим инкремент и декремент этих регистров в бесконечный цикл:

Первая тестовая программа готова и выглядит для CVAVR она так:

Компилируем и пробуем в протеусе:

Как видим, программа полностью работоспособна и выполняет возложенные на нее задачи, ничего сложного в ней нет.

В следующей статье рассмотрим программный ШИМ, который необходим в случае если число аппаратных нам недостаточно или в силу других причин.

Читайте также: