与此同时mcu工作在不稳定的电压下,本身ADC的精度也会大受影响。这个问题导致这个方案几乎陷于瘫痪。于是我只好采用先手动测量电池电压,然后修改程序PWM输出的方式做测试。因为这个,前后烧写程序多达500次。
第三个问题,我改变工作电流,从300mA提升到700mA,mcu重置的问题再次出现,后来使用了1uF电容并联才解决。
提升工作电流之后,第四个问题随之出现,就是提高PWM,没有影响最终输出。这个问题让我疑惑了很久,最终仔细检查发现使用的线路内阻太大(我曾在ednchina论坛发贴说明这个问题)。过高的线路内阻导致PWM提升到一定程度后,电流主要由线路内阻制约而无法进一步提升。
我随便找了一个电动机的电源线,外径2mm左右,内部多股铜线拧成1mm左右,更换电线后,电流输出趋于正常。
这些问题逐步解决,我开始着手处理ADC采样数据过于离散的问题,设计了各种算法,取均值,取最高值,等方法,最终都没有取得可用的效果。
这时候,我在手电论坛发布了我制作这个电路的消息,有人跟帖说希望能安装在厚度只有4mm的空间。我因为使用了电感元件,无法满足这一要求。
考虑到方案问题太多,而实际应用对空间要求比较苛刻,我决定放弃DC-DC变换的方式,采用直接PWM驱动。
于是这个方案宣布彻底失败,新的方案随之而来。
PWM直接驱动的缺点是效率相对低(但是比电池串连电阻直驱还是要高的多),但是由于避免了电感元件,带来的体积缩小很明显,是个值得尝试的方式,而且国外厂家也已经推出过这类产品,在可行性上有一定的把握。
使用PWM直接输出的LED驱动电路
在上一篇,介绍了使用PWM模拟DC-DC来进行驱动的尝试。最终以失败告终,这一篇介绍使用PWM直接输出的方式,进行驱动。
先看电路图
除了省略了一个电感之外,这个电路和前一个很相似。
有了前一个电路组装过程中积累的经验,这个电路的搭建过程就简单多了。也没有遇到什么实质性的问题。
驱动的原理非常简单,采样方式的更改,把原来对电源电压采样,改为对采样电阻上的电压进行采样。由于采样电阻是固定数值,这个采样的结果也就直接反映了驱动电流的大小。
mcu检测处在导通状态时,电阻上的电流,然后计算出能够使得平均电流等于额定驱动电流的PWM数值,然后直接输出。而由于没有电感环节,这个PWM的计算也只是单纯的乘除法而已。
电源两端并联的大电容和LED两端并联的电容是为了降低LED电流的波动。由于LED在大电流下光效低(这个在连载一中有介绍),如果单纯控制平均电流,会得到电效率高,但是光效反而低的结果。
实际测试,如果不并联电容,电源电压升高引起开启状态电流增大,在保持平均电流不变的情况下,亮度降低明显,不过LED的发热并没有显着增加。
这个电路最终测试成功,作为我设计并制作的第一款可用的电路,我决定制作PCB出一个像样的成品。
考虑到最终可能会面临的苛刻的安装要求,电路的配件全部采用贴片元件,而两个电容则采用了昂贵的钽电容。最终pcb的尺寸直径16mm,厚度约3mm,基本可以满足各种预期的安装空间了。
现在,pcb已经在制作中,而定购的电子元件也已经在路上了。
在这个过程中,ednchina的主编cocappjj和版主wanghaibing给予了大力协助,在此特别表示感谢!
从最早的设计,到最终的电路,整个过程漫长而又艰辛(呵呵,有点夸张),我也充分体会到设计和制作一个哪怕如此简单的电子产品有多么复杂。
作为一个业余爱好者,虽然无法完成那些精致专业的设计,但是,拥有自己的想法,并且勇敢而认真的把它变为现实,也是很值得骄傲的。
实际组装,问题浮现元件和PCB板已经到手,我马上开始了最后的组装工作,本以为会非常简单,实际却又出现了各种问题。
按照最终电路图焊接成功,用自制的MCU座烧写了程序,加电,结果……MCU再次罢工。
这个时候出问题,是比较致命的,pcb已经做好,不方便再改,而元件买了也不能退。如果再次修改设计,那成本可就要翻倍了。
于是我仔细检查了实际电路和我测试期间实用的电路究竟有何不同。最终发现,除了在布局上的差异之外,主要的区别有两个,一个是MCU从直插版本换成了贴片版本,另一个是滤波电容使用了贴片钽电容,而测试电路使用的是直插铝电解。
由于MCU的封装并不会带来性能上的差异,我把目光集中在了贴片钽电容上。
钽电容的特点是低ESR带来更好的滤波效果,而且在容量/体积比上具有比较大的优势。初步分析认为是并联在LED两端的钽电容,在mos导通的时候其初始电压为0,导通的初期基本可以看作是短路状态。
这个处在近乎短路状态的电容,在电路启动的时候,把mos管的强力拉低直接转加在电源滤波电容上(尽管这也是个钽电容),这个动作导致的电压跳变可能干扰了MCU的正常运行。
于是,我直接去掉了并联在LED上的钽电容,结果电路工作正常,可以证明,我的推断是正确的。
尽管这个正确的推断可以解决MCU罢工的问题,但是对于电路造成的最终影响却无法解决。LED并联电容是为了减少电流波动,从而使LED尽可能工作在平稳的电流下,得到比较高的光效。 如果单纯去掉这个电容,LED的光效会因此大打折扣,这就抵消了LED高光效的优点,不利于节省电池能源。我用了一个10uF的电容代替这个钽电容,发现问题依旧,由此推测,可能钽电容只是原因之一,pcb面积的狭小降低了线路自身的电感,也是重要的因素。
现在修改pcb不太现实,替换电容又不能达到效果,左右为难。
思前想后,我决定把电容替换为一个倒置的开关二极管。而在外部电路使用一个串连电感来起到稳定电流的作用。线路板上的二极管起到续流作用。
这个是新的电路图:
当电源电压和LED的额定电压比较接近的时候,电感可以省略,这时候峰值电流比较小,LED的光效降低不明显。
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