PCF8591芯片的差分输入原理解析

　　随着LED成本的不断下降，以及各国政府对节能环保的日益重视，LED灯的市场前景变得越来越广阔。高亮度LED灯已经出现在各种各样场合，从户外广告牌、电视LED背光灯到交通信号灯、机场跑道导航灯等等。LED灯的优势也表现得尤为突出，例如长寿命、高能效以及丰富的色彩。

　　然而，LED灯设计师必须首要考虑的还是灯的可靠性问题。对很多场合而言，可靠性的重要性不言而喻：例如一些维护成本交高的户外照明，以及一些极易产生安全隐患的应用，包括交通灯、导航灯等。LED是也一种脆弱的半导体固态器件。它的发光原理是二极管的PN结正向电压偏置产生光源。LED阵列和电源都面临着被瞬态电压、浪涌电流和其它电子问题破坏的风险。 特别是在户外照明应用，由于临近的雷击所产生的静电释放（ESD）很容易会引起LED故障。作为全球领先的保护器件生产商和方案提供商，Littelfuse有广泛可选的产品，针对以上威胁源，能够提供高性能的LED保护方案。

　　电源部分的保护方案

　　在开关电源部分，LF推荐的过流和过压保护方案如下：

　　TVS管

　　AK6和AK10系列是具有极高额定电流的瞬态电压抑制器（TVS），特别为保护AC和DC输入电路免受瞬态电压损坏而设计，其额定值为6kA（8x20us）和10kA（8x20us）；15KPA和30KPA是额定值分别为15，000 W和30，000 W的TVS，它们都是针对保护恶劣环境下LED照明的理想应用。1.5SMC系列是额定值为1500W的TVS，它是保护DC-DC转换器免受瞬态电压破坏的理想选择。

　　TMOV热保护压敏电阻

　　TMOV集成了热敏组件，有助于TVSS模块利用适当的外壳，在电缆连接和永久连接应用方面符合UL1449标准控制字的第4位和第5位是用于控制 PCF8591 的模拟输入引脚是单端输入还是差分输入。差分输入是模拟电路常用的一个技巧，这里我们把相关知识做一些简单介绍。

　　从严格意义上来讲，其实所有的信号都是差分信号，因为所有的电压只能是相对于另外一个电压而言。但是大多数系统，我们都是把系统的 GND 作为基准点。而对于 A/D 来说的差分输入，通常情况下是除了 GND 以外，另外两路幅度相同，极性相反的输入信号，其实理解起来很简单，就如同跷跷板一样。如图17-8所示。
　

　　图17-8 差分输入原理

　　差分输入的话，就不是单个输入，而是由2个输入端构成的一组输入。PCF8591 一共是4个模拟输入端，可以配置成4种模式，最典型的是4个输入端构造成的两路差分模式，如图17-9所示。
　　

　　图17-9 PCF8591 差分输入模式

　　当控制字的第4位和第5位都是1的时候，那么4路模拟被配置成2路差分模式输入 channel 0 和 channel 1。我们以 channel 0 为例，其中 AIN0 是正向输入端，AIN1 是反向输入端，它们之间的信号输入是幅度相同，极性相反的信号，通过减法器后，得到的是两个输入通道的差值，如图17-10所示。
　　

　　图17-10 差分输入信号

　　通常情况下，差分输入的中线是基准电压的一半，我们的基准电压是 2.5 V，假如 1.25 V 作为中线，V+ 是 AIN0 的输入波形，V- 是 AIN1 的输入波形，Signal Value 就是经过减法器后的波形。很多 A/D 都采用差分的方式输入，因为差分输入方式比单端输入来说，有更强的抗干扰能力。

　　单端输入信号时，如果一线上发生干扰变化，比如幅度增大 5 mv，GND 不变，测到的数据会有偏差；而差分信号输入时，当外界存在干扰信号时，只要布线合理，大都同时被耦合到两条线上，幅度增大 5 mv 会同时增大 5 mv，而接收端关心的只是两个信号的差值，所以外界的这种共模噪声可以被完全抵消掉。由于两根信号的极性相反，它们对外辐射的电磁场可以相互抵消，有效的抑制释放到外界的电磁能量。

　　在我们的 KST-51 开发板上，我们没有做差分信号输入的实验环境，由于这个内容在 A/D 部分比较重要，所以还是介绍给大家，以供参考。。TMOV提供比大多数分立式解决方案更快速的热响应和较低的电感，取得提高了的箝位性能，从而快速响应电压瞬变。

　　随着LED成本的不断下降，以及各国政府对节能环保的日益重视，LED灯的市场前景变得越来越广阔。高亮度LED灯已经出现在各种各样场合，从户外广告牌、电视LED背光灯到交通信号灯、机场跑道导航灯等等。LED灯的优势也表现得尤为突出，例如长寿命、高能效以及丰富的色彩。

　　然而，LED灯设计师必须首要考虑的还是灯的可靠性问题。对很多场合而言，可靠性的重要性不言而喻：例如一些维护成本交高的户外照明，以及一些极易产生安全隐患的应用，包括交通灯、导航灯等。LED是也一种脆弱的半导体固态器件。它的发光原理是二极管的PN结正向电压偏置产生光源。LED阵列和电源都面临着被瞬态电压、浪涌电流和其它电子问题破坏的风险。 特别是在户外照明应用，由于临近的雷击所产生的静电释放（ESD）很容易会引起LED故障。作为全球领先的保护器件生产商和方案提供商，Littelfuse有广泛可选的产品，针对以上威胁源，能够提供高性能的LED保护方案。

　　电源部分的保护方案

　　在开关电源部分，LF推荐的过流和过压保护方案如下：

　　基于一种高可靠性低维修率的户外LED照明保护设计TVS管AK6和AK10系列是具有极高额定电流的瞬态电压抑制器（TVS），特别为保护AC和DC输入电路免受瞬态电压损坏而设计，其额定值为6kA（8x20us）和10kA（8x20us）；15KPA和30KPA是额定值分别为15，000 W和30，000 W的TVS，它们都是针对保护恶劣环境下LED照明的理想应用。1.5SMC系列是额定值为1500W的TVS，它是保护DC-DC转换器免受瞬态电压破坏的理想选择。

　　TMOV热保护压敏电阻

　　TMOV集成了热敏组件，有助于TVSS模块利用适当的外壳，在电缆连接和永久连接应用方面符合UL1449标准。TMOV提供比大多数分立式解决方案更快速的热响应和较低的电感，取得提高了的箝位性能，从而快速响应电压瞬变。

　　Fuse保险丝

　　AC线保险丝选用464系列，它提供了最小化、快速响应的表面贴装型250VAC保险丝，符合IEC60127-4标准，464特别针对电源和照明系统设计应用而设计。

　　高压直流保险丝选用477或505系列，这两个系列都面向高能量和电源应用设计，477系列提供用于400VDC/500VDC额定电压、延时、抗浪涌保险丝，采用5x20mm封装；505系列提供500VAC/VDC额定电压的保险丝，其断流上限额定值高达50kA，采用6.3 x 32mm封装。

　　LED阵列部分保护方案：PLED开路保护器

　　以上方案能够有效的应对电源部分产生的浪涌威胁，保护LED免受损坏。但是我们都知道，LED灯等通常由一定数量的LED管串接或并联组成阵列，单个LED损坏会造成的整个LED阵列的停止工作。传统的fuse、MOV、TVS并不能保障此类问题。因此在LED阵列端，LF专门为LED开路研制了PLED LED开路保护器，如图所示：

　　高可靠性低维修率的户外LED照明保护设计

　　PLED LED开路保护器

　　PLED系列产品是一种电压触发开关导通元件，使用时作为旁路与LED灯串接在电路中。当LED开路时，电压全部降落到PLED上。于是，PLED被激活导通，这一分流路径旁路了开路的LED，并允许电流流入串联电路中的其它LED，从而消除了因某个LED损坏所带来的影响，提高了LED照明设计的稳定性。PLED最多可以同时保护4颗高亮LED，以更低的成本方案提供强劲的保护，主要适用于1W、2W、3W等高亮LED灯，最大通流达1000mA。

　　相对于传统的LED保护方案，Littelfuse的PLED器件能够提供一个更为简单和经济的电路设计，其特点和优势包括：

　　1、当一个LED损坏时保障整个LED灯串继续工作2、可采用DO-214AA，芯片级QFN和Powermite封装3、可以保护最多4颗高亮LED管，以更低的成本提供强劲的保障4、二合一的保护（开路故障保护，以及额外的浪涌和ESD保护）5、保护动作时不会对电源造成任何负面影响6、反接保护功能

　　7、可以与10KHz的PWN调光速度兼容

　　8、在LED开路恢复后自动复位

　　结束语

　　Littelfuse高可靠性、低维修率的户外LED照明整体保护解决方案大大降低了LED灯的维护成本，延长了使用寿命，提升了产品的品牌价值。亚讯科技（Asiacom）作为Littelfuse中国本土最大的代理商，竭诚为客户提供最周到的技术支持和供货服务，为中国LED灯具生产制造商创造更多价值。