Funpack4-2 - 基于dsPIC33CK64MC105 Curiosity Nano评估板制作LED升压驱动电源

内容介绍

一、项目介绍

本项目基于 Microchip dsPIC33CK64MC105 Curiosity Nano评估板和一些分立器件设计和实现一个LED升压驱动电路。该电路支持恒流驱动功能和负载断路保护，并通过按键实现多档调光功能。用户可以通过按键在1到6档之间切换亮度，当处于第6档时再次按下按键可以关闭灯光，满足不同照明需求。

1.1 硬件介绍

dsPIC33CK64MC105 Curiosity Nano评估板：这是一块集成了 dsPIC33CK64MC105 微控制器的开发板，具有丰富的I/O接口，非常适合进行嵌入式系统的开发和评估。
分立器件：包括电感、电容、二极管、MOSFET等器件，用于搭建升压转换器的外围电路。

1.2 功能概览

LED升压驱动：使用BOOST拓朴有效实现提高输入电压以驱动高电压需求的LED。
恒流驱动：提供稳定的电流输出以保证LED亮度的稳定性。
负载断路保护：在检测到负载断路时自动限制输出电压以保护电路。
6档调光功能：通过按键实现LED亮度的多档调节，支持六档调光并可最终关闭灯光（1档最暗→6档最亮→关闭）。
串口数据上报：通过串口实时上报当前电路状态，包括设定电流，输出电压ADC，LED电流采样ADC，输出电压，目标电压ADC，目标电流ADC，输出电流等。

1.3 设计思路

本项目采用BOOST升压电路设计，通过 dsPIC33CK64MC105 Curiosity Nano评估板实现驱动信号的生成与调节。输出电压采用1/10电阻分压后接入ADC采集，LED驱动电流使用ADC采集100Ω电阻电压，使用PID进行控制PWM输出的恒压和恒流以及负载断路保护。部调光功能通过评估板板载用户按键切换。

二、功能实现

2.1 软件流程图

该系统通过上电初始化配置时钟、PWM、ADC及GPIO，进入主循环后并行处理按键检测与ADC采样。按键触发时，更新亮度等级并计算对应PWM占空比以调节LED亮度；ADC实时监测电流/电压，电流波动时通过PID算法动态调整PWM实现恒流驱动，电压异常（>20V）则触发过压保护机制，限制输出并进入安全模式，确保系统稳定运行。

2.2 实现过程

2.2.1 硬件仿真与面包板电路

上图为使用 CircuitJs 搭建的硬件仿真图，以下是根据仿真硬件搭建的面包板实验电路：

2.2.2 恒流控制

电流采样：通过 100Ω 采样电阻获取电压信号, ADC每 1μs 采样一次（配置为软件触发），MCC配置截图如下：

根据采集的电流电压信号数据，使用PID计算得到控制输出的PWM占空比，关键代码如下：

uint16_t dutyCycleSetAValue = update(&pid, (((0.1 * set_current) / 3.3) * 4095.0), output_a_adc_value * 1.0);
pwm->DutyCycleSet(dutyCycleSetAValue);

2.2.3 调光功能

使用外部中断检测按键按下，实现按键响应迅速，能够准确切换1至6档亮度，并在最高档后熄灭灯光。MCC配置截图如下：

产生外部中断时，在按钮中断回调函数中进行 0 ~ 6 档的循环切换。关键代码如下：

void EXT_INT1_Callback(void) {
    set_current ++;
    if(set_current > MAX_CURRENT_SET) {
        set_current = 0; // 循环切换
    }
    printf("用户按键按下，当前电流设定为：%d!\r\n", set_current);
}

2.2.4 保护机制

由于BOOST升压电路的特性，当负载突然断开时，会导致输出电压升高，如果不及时调整会导致输出电压异常从而击穿输出电路器件。为了防止以及保护输出电路这里使用软件进行控制，同时使用PID进行参数调节，当负载开路时限制输出的最大电压在20V以下。

三、功能展示

3.1. 调光演示：

短按按键：亮度从1→2→3→4→5→6档平滑过渡第7次按下：LED完全熄灭。

3.2. 恒流特性：

设置好调试档位后，通过切换灯珠数量，可看出万用表电压变化为2.5V左右，而电流始终保持，可以支持2~5串LED驱动。通过拍摄的视频可看出LED无频闪，这是典型的恒流驱动模式才有的特点。

3.3. 保护测试：

断开LED回路后，输出电压限制在20V以下。效果图中万用表中显示为22V左右，因为电路器件误差所致，程序中设定保护电压为20V。

3.4. 串口数据图形化展示：

通过串口实时上报当前电路状态，包括设定电流，输出电压ADC，LED电流采样ADC，输出电压，目标电压ADC，目标电流ADC，输出电流等。下图中为上位机图形化展示LED驱动电路的高光档位、输出电压、输出电流采样电压。

四、总结

遇到的问题

原本仿真时使用NMOS搭建电路感觉一切正常，实测发现NMOS不太好控制，很容易导致电流过大而烧录NMOS。只好改用三级管进行驱动，这样比较好控制开关管的电流。
输出电压的误差较大，约达到10%左右，因缺乏这方面的知识而不知所措。但推测可能是分立器件的精度导致。
输出电流过大时会有闪烁，但那种闪烁不是频闪，而是驱动电流不足导致的明暗闪烁。这就需要更换更大功率的三极管或使用MOS管来实现。

心得体会

本项目成功利用dsPIC33CK64MC105 Curiosity Nano评估板实现了LED的升压驱动，具备恒流输出和负载断路保护功能。通过按键进行调光非常直观且易于操作。此设计不仅展示了微控制器在电源控制中的应用潜力，还提供了一种高效、可靠的LED驱动方案。后续可以进一步优化电路和算法以提高效率和响应速度。

最后，感谢硬禾学堂联合 DigiKey 推出的这次活动！此次活动带给我许多宝贵实践经验和机会，在此表示感谢！