【经验】基于环境光传感器MLX75305的LED灯闭环回路控制应用说明

主要针对汽车的电子系统设计和开发的迈来芯（MELEXIS）公司在先进的混合信号半导体，传感器芯片和可编程传感器系统等生产制造方面有着优异的能力。迈来芯（Melexis）公司针对LED闭环控制系统的设计拟写了说明书，下面对说明书内容进行介绍。该说明书针对的应用环境有如下两种情况，首先，在一些LED照明应用中，必须精确的控制光照强度，例如安装在商店里紧罗密布的数个LED灯面板，其光强和光的颜色都必须保持一致。其次，同样在汽车领域应用时也要注意，如LED前照灯，随着时间的推移和温度的变化，LED前照灯的亮度按照性能规范变化是非常重要的。

说明书文件中描述了LED灯闭环控制电路的2个原理图:

•原理图1: 仅有MLX75305的光到电压转换器（如图1）

•原理图2:带有 MLX75305的MLX10803 LED驱动（如图2）

在设计时，可以根据下面两条判断哪种电路适合客户需要的应用:1）低电流LED驱动器对高电流LED驱动器(推荐迈来芯公司提供的LED驱动器：MLX10803)；2）微处理器/单片机是否可用。

迈来芯（Melexis）这篇应用说明书的目的是用一个LED和一个具有最小数量组件的MLX75305制造一个闭合光调节回路。但是需要注意的是在迈来芯公司给出的这个应用实例说明中并没有给出汽车电子的设计参考，它唯一的目的是为快速原型化设计和评估提供一个设计实例。

下面是应用说明书的主要内容，分别有其可应用的领域、迈来芯公司提供的相关系列产品、说明书主要分析的三种控制回路。

应用有常规应用及汽车类应用

常规应用

•商店的LED照明

•其他需要精确控制光强的LED照明应用

汽车类应用

•汽车LED前照灯

迈来芯公司（Melexis）提供的相关应用产品

•MLX75303系列应用于自动光学开关

•MLX75304系列应用于光变频器

•MLX75305系列应用于光到电压转换器

分析的三种控制回路目录

•仅带有光传感器的LED灯封闭控制回路，

•配有光传感器和微处理器的LED灯封闭控制回路，

•带有光传感器和LED驱动器的LED灯闭合控制回路，

说明书详细分析了以上三种控制回路的工作原理，分别如下： 

1、仅带光传感器的LED光封闭控制回路

MLX75305的输出电压随入射光强度线性变化，当打到MLX75305上的入射光强度加倍时，MLX75305的输出电压也会成倍增加。因为MLX75305的输出电压随着光线的增加而增加，我们需要对回路设计将输出实现反向以获得一个负反馈回路，如果不反向，输出与输入之间就是一个正反馈，这种正反馈会导致系统不稳定。

原理图1：

图1：仅有MLX75305的光到电压转换器

图一的这个电路可以把LED的电流调节到一个稳定的值。当MLX75305上的LED灯光强增加时，MLX75305 (Vout)的输出电压就会增加，pMOS LED的电流(Iout)随输出电压增加而减小，这样就会在Vout 和 Iout 的交点处产生一个稳定状态。上图的输出电压与输出电流之间的关系如公式:Vout ≈ VDD - Iout×R1 - pmos的阈值电压

实例1:当没有光照时，Vout为0，这时PMOS导通，LED输出电流增加并产生更多的光照，Vout随之开始上升。

实例2:如果LED是完全打开的，Vout处于饱和状态，PMOS断开，LED无电流通过。

在稳定状态下，图一所示系统将根据无源元件的值将LED电流调节到一个稳定的状态。

电路中元器件说明

C1是VDD的去耦电容器。R2是MLX75305的下拉电阻。

•R1用于改变LED发出的光照强度:增加R1可以使其具有较低亮度的光，而减小R1可以得到具有较高亮度的光。在更改R1时，需要确保提供足够的电压裕度，使LED和PMOS能够正常工作。R1应该是一个低TC（温度系数（Temperature Coefficient））的精密电阻，因为它定义了调制系统的光能输出值。

•R3设置了LED保护电路的最大LED电流。当需要提供大的LED电流时，R3上的电压降会限制LED的最大电流。需要注意的是：因为R3在闭环中，其值并不会改变系统的增益，也不会改变系统增益回路的稳定点。

(R3*(C2+C3))乘积值决定了主系统的极点，因此它决定了系统的工作频率的最大值或者说调制速度。C2和C3电容器定义了系统响应速度和系统稳定性。并联使用两个电容器，可以在更大的频率范围内获得良好的响应能力。一个更大的乘积值(R3*(C2+C3))会使系统更慢，但更稳定。根据系统的具体情况，必须选择适当的R和C值。这些组件的值可以根据不同的应用情况进行调整以稳定回路。

晶体管和LED可根据用户应用需要更换其他类型。例如晶体管:pMOS，功率晶体管和达灵顿结构都是可选的。如果用户使用其他的晶体管或LED输入，需要一直检查流过的电流并通过流过的电流值选择正确的R3和R1值以确保晶体管能正常工作，同时还需要调节C2和C3的值，使系统稳定。

集成光传感器与光敏电阻

集成光传感器在汽车设计中具有以下优点:

•不需要外接大电阻值的电阻器就可以得到高增益，(汽车设计中好的应用实例表明电阻值很低)

•高线性

•与MLX75305相关的其他优点

           通过AEC-Q100汽车质检的合格产品，低到ppm（百万分之一parts per million）的不通过率

           操作温度高达125摄氏度

           260摄氏度的焊接回流温度

           保证且精确的最小/最大光响应规格

           低温度系数

           通过无铅认证

MLX75305可以直接连接到12V或汽车电源电池

MLX75305的标准VDD范围是3V到3.5伏，但是，通过使用两个额外的外部组件，一个可以连接MLX75305光接口2 电压光传感器可以直接连到V-电池。

所需的组件

1.R与Vbat串联

2.齐纳二极管并联于MLX75305，以固定VDD到4.7V(例如.1N4614)

3.良好的去耦电容器(无论如何都应该有)

元件参数计算的例子

1.最小V-电池= 6V(例子)

2.齐纳二极管可以给4.7V 到MLX75305，所以在最坏的情况下，R系列上的电压降

达到1.3V (6V-4.7V)。在最坏的情况下消耗电流3mA (MLX75305) +<1mA (负载) + <1mA(对于齐纳管)，这里给出了最坏情况下总的流动预算<5mA，达到最大值。R值为270欧姆。(270Ohm x 5mA是最大值，允许1.3 V的压降)

3.最大V-bat = 18V(例子)

4.所示齐纳二极管可以得到最坏情况50mA (18V-4.7)/270Ohm的电流，所以它应该

具有较强的鲁棒性以抵抗大电流强度和250mW的功耗。

5.R应能抵抗0.7W (13V * 500mA)

6.去耦电容器为10uF // 100nF时，可以获得2.7ms(R*C)的RC影响

注意:MLX75305外接2个元件，可直接与V型电池连接。为了实现稳健的汽车设计，需要考虑尺寸上的一些折中以便为最坏的情况作出设计处理。

用电压基准代替电阻基准

可以添加一个运算放大器来使用电压基准来代替一个电阻基准来闭环回路进行控制

这就是为什么会在材料清单上增加了一个额外的组成部分。

2、采用了光传感器和微处理器的LED灯闭环控制回路

除了MLX75305光电压转换器以外，在微处理器可用的情况下，MLX75304光变频器是一个很好的选择。

当使用MLX75305光电压转换器时，微处理器读取(正)输出电压输入其内部ADC（数模转换器）。微处理器利用软件计算反馈控制信号，当使用MLX75304光频转换器时，微处理器使用它的数字计数器输入读取从光到频转换器输出的信号转换(半周期)。

注意:当采用微处理器时，外部组件可以更少。

3、带有光传感器和LED驱动器的LED灯闭合控制回路

对于大电流LED应用，迈来芯公司建议使用包括MLX10803 LED（迈来芯公司高功率LED驱动产品系列）驱动的环路控制电路

原理图2

 图2：带有 MLX75305的MLX10803 LED驱动原理

迈来芯公司提供的这个例子中考虑了大电流LED驱动器的要求。红色框外面的电路是按照MLX10803 (迈来芯公司大功率LED驱动产品)的标准设计的。这里的基本工作原理是，LED由开关模式的电源驱动使用，电感仅作为一种储能元件。此外，适用于需要将热考虑作为关键的领域，PTC和NTC 电阻分别连接到REF1和REF2，作为LED输出的温度补偿。

MLX75305(光电压转换器)与光强成正比的输出电压，是通过PNP双极晶体管(T1)反向插入MLX10803的VREF引脚。MLX10803的VREF引脚可以用来限制通过R3的峰值电流和确定通过LED上的平均电流。这样，客户就可以确定一个LED峰值电流的目标值来定制R1的大小。MLX75305需要5V的输入电源(12V系统的解决方案见上文)。