三種高亮度【LED凈化燈】照明的驅動(dòng)設計

高亮度LED凈化燈在照明應用中的使用越來(lái)越廣泛。我們在這里將介紹一種簡(jiǎn)單的“氣氛照明燈”，其僅使用了少量的組件。所有這三 種LED凈化燈均由使用開(kāi)關(guān)調節器的恒定電流來(lái)供電，同時(shí)亮度控制由能夠產(chǎn)生三種 PWM 信號的 MSP430 微控制器來(lái)完成?？梢杂媚?砂玻璃外殼將印刷電路板安裝到臺燈中，或者也可以和 LED 聚光燈一起使用來(lái)進(jìn)行間接照明。無(wú)論其功耗有多大，現在的 LED 通常都使用一個(gè)恒定電流源來(lái)驅動(dòng)。這是因為以流明 (lm) 為單位的光輸出量和電流量成正比例 關(guān)系。因此，所有的 LED 廠(chǎng)商都規定了諸如光輸出(有時(shí)稱(chēng)為光學(xué)效率)、可視角度和波長(cháng)等參數，作為正向電流 IF 的函數，而非像人 們所期望的那樣作為正向電壓 VF 的函數。所以，我們在電路中使用了適當的恒定電流調節器。用于高亮度 LED 的恒定電流市場(chǎng)上大多數開(kāi)關(guān)調節器都被配置為恒定電壓源，而非恒定電流源。將恒定電壓調節器轉換為恒定電流運行必須要對電路進(jìn)行 簡(jiǎn)單、稍微的改動(dòng)。我們使用了一個(gè)壓降被調節了的電流感應電阻器，而非通常用于設定輸出電壓的分壓器。圖 1 顯示了該電路的 簡(jiǎn)化圖。

圖 1 一個(gè)開(kāi)關(guān)調節器既可以被配置為一個(gè)電壓源也可被配置為一個(gè)電流源LED 亮度調節

LED凈化燈 亮度調節的方法主要有兩種。第一種也是最為簡(jiǎn)單的一種方法便是利用模擬控制直接控制流經(jīng) LED 的電流：通過(guò)降低流經(jīng)LED凈化燈 的電流帶來(lái)降低其亮度。然而不幸的是，這種方法存在兩個(gè)嚴重的缺點(diǎn)。首先，LED 的亮度并非嚴格地和電流成正比例關(guān)系， 其次，當電流的變化超過(guò) LED 額定值時(shí)發(fā)光的波長(cháng)(以及由此帶來(lái)的顏色變化)可能會(huì )隨著(zhù)電流變化而發(fā)生變化。這兩種現象通常 是我們不希望看到的。稍微復雜一點(diǎn)的控制方法是使用能夠提供 LED凈化燈額定工作電流的恒定電流源。這樣，附加電路就可以利用給定脈沖間隔比 (mark -space ratio) 快速地將LED凈化燈開(kāi)啟和關(guān)閉，從而平均發(fā)出更少的光，感覺(jué)就像是光的強度降低了。通過(guò)脈沖間隔比，我們可以較輕松地 對 LED 的感知亮度進(jìn)行調節。這種方法被稱(chēng)為脈寬調制(或 PWM)。

利用 PWM 進(jìn)行調光作為一個(gè)示例，我們將會(huì )看到一些使用 TPS62260 實(shí)施 PWM 控制的方法。TPS62260 是一款同步降壓轉換器，其具有集成的開(kāi)關(guān) 元件，典型的時(shí)鐘頻率為 2.25MHz。在圖 2 的電路中，我們以黑色顯示了將 PWM 信號直接連接至 EN(使能)引腳的可能性。整個(gè)開(kāi) 關(guān)調節器電路和 PWM 信號一起開(kāi)啟和關(guān)閉。在我們實(shí)驗中的試驗表明，在這種配置中，我們可以使用一個(gè)高達 100Hz 的 PWM 頻 率。這種排列的優(yōu)點(diǎn)是其簡(jiǎn)易性：不需要額外的組件。另外，它還是最為高效能的實(shí)施方法，因為該開(kāi)關(guān)調節器在關(guān)閉時(shí)僅產(chǎn)生非 常少的靜態(tài)電流。其缺點(diǎn)是，LED 對使能引腳上高電平的反應被延遲。這是因為開(kāi)關(guān)調節器具有一種“軟啟動(dòng)”功能：當器件被開(kāi)啟時(shí) ，輸出電流逐漸上升，直到其達到額定的 LED 電流。在一些應用中，這種上升斜坡可能會(huì )存在一些問(wèn)題，因為 LED 發(fā)光的波長(cháng)隨電 流從其最小值到正常工作電平的逐漸增強而變化。例如，在一個(gè) DLP 投影儀或 LCD 電視面板的 LED 背光燈中，這種變化可能是我 們無(wú)法接受的。但是，就這個(gè)示范項目而言，肉眼無(wú)法看到這種影響。在第二個(gè)變量中(圖 2 中紅色所示部分)，PWM 信號通過(guò)一個(gè)小信號二極管被耦合至 TPS62260 的誤差放大器輸入端。在本電路 中，一個(gè)施加于控制輸入端的超過(guò) 600mV 的正電壓會(huì )使誤差放大器輸入驅動(dòng)過(guò)度，并由此關(guān)閉 LED。由于這個(gè)電路沒(méi)有使用使能 輸入，因此它不具有與調節器軟啟動(dòng)功能相關(guān)的啟動(dòng)延遲，且 LED 被極為快速地開(kāi)啟和關(guān)閉。因此，上述電流斜坡所帶來(lái)的輸出波長(cháng)變化在本結構中小到可以被忽略不計。另外，我們在實(shí)驗室里發(fā)現，PWM 頻率可以上升 到 5kHz。圖 2 中藍色部分顯示了第三種可能性。這里的 PWM 信號被用于控制線(xiàn)連至 LED 的 MOSFET。MOSFET 使 LED 短路，并允許其 被更加快速地開(kāi)啟和關(guān)閉。該調節器運行在恒定電流模式中，而且電流將會(huì )流經(jīng) LED 或者 MOSFET。這種方法的一些缺點(diǎn)包括 MOSFET 帶來(lái)的額外成本以及低效能：在 2Ω 電流感應電阻器中會(huì )有高達 180mW 的功率被不斷耗散掉。其優(yōu)點(diǎn)是較高的開(kāi)關(guān)頻率： 在一些實(shí)驗中，我們看到 TPS62260 可以成功運行在 50kHz PWM 頻率的狀態(tài)下。

圖 2 實(shí)施調光功能的三種方法

圖 3 使用 JTAG 連接 (JP1)、eZ430 連接器 (JP2) 和旋轉編碼器 (R1) 基于 MSP430 微控制器的這種電路的控制部分

圖 4 由三個(gè)配置為恒定電流源的開(kāi)關(guān)調節器和一個(gè)使用分立組件構建的 3.3V 穩定電源組成的電路部分實(shí)際電路

該電路的核心(請參見(jiàn)圖 3和圖 4)為一個(gè) MSP430F2131 微控制器。對它進(jìn)行編程，以使其起到一個(gè)三重 PWM 生成器的作用，并 從旋轉編碼器 (R1) 讀取數值。編碼器值用于對一個(gè)包含所有紅色、綠色和藍色 LED 脈沖間隔比值的查尋表編索引。然后，相應的 PWM 信號就會(huì )出現在接近 122Hz 頻率時(shí)的輸出引腳 TA0、TA1 和 TA2 上。該信號的強度足以確保 LED 不會(huì )出現閃爍，因為眼睛將 單個(gè)光脈沖平滑成了一個(gè)平均可感知強度值。就實(shí)際實(shí)施而言，我們選擇了圖 2 中紅色部分所示的 PWM 控制方法，其在電路復雜性和性能之間給出了一個(gè)較好的平衡值。 每一個(gè) LED、紅色(D14)、綠色(D24)和藍色(D34)均由一個(gè)來(lái)自單個(gè) TPS62260 DC/DC 轉換器的恒定電流供電。2Ω 電阻器將流經(jīng) LED 的額定電流設定在 300mA。使用 TPS62260 的“大哥”級產(chǎn)品 TPS62290 可以獲得更強的電流(高達 1A)，其采用相同的方式進(jìn)行 封裝。使用小信號二極管(D13、D23 和 D33)耦合 PWM 信號。當 PWM 信號較高時(shí)，其會(huì )超過(guò)相應開(kāi)關(guān)調節器的正常誤差信號輸入，其 具有一個(gè) 600 mV 的極限電壓電平。這就是說(shuō)，PWM 信號的高電平會(huì )迫使 LED 熄滅。當 PWM 信號最終降低時(shí)，該調節器再次啟動(dòng) ，同時(shí) LED 亮起。整個(gè)電路均由一個(gè)經(jīng)過(guò)調節的 5V 1 A DC 電源適配器供電。使用一個(gè)電阻和一個(gè)齊納二極管構建的簡(jiǎn)單穩壓器將 5V 電平降低至 3.3V，以用于 MSP430 微控制器。該電路可以構建在如圖 5 所示的印刷電路板上。有三種版本的電路板，它們之間的區別僅在于占地面積和 LED 連接排列的不同 。這就允許使用不同類(lèi)型的 LED，在部件列表中列舉出了一些可供選擇的 LED。

散熱圖在高功耗 LED 的性能中，工作溫度是一個(gè)重要的參數，其會(huì )給工作壽命、正向電壓、輸出波長(cháng)甚至是設備的亮度帶來(lái)很大影 響。LED 的工作溫度越高，其預期壽命就越短?？紤]到這一因素，我們選擇的實(shí)驗印刷電路板尺寸，要能夠允許將 SK477100 型散熱 片(由 Fischer ELektronik 制造)安裝到使用雙面粘合熱傳輸材料的電路板背面。在滿(mǎn)功率下運行時(shí)，這可以將 LED 的溫度從 61 °C(無(wú) 散熱片)降低至 54 °C(有散熱片)。該散熱片還有助于加速印刷電路板區域上的熱量耗散。為了制作一幅示例散熱圖，我們將電路板和 Cree 公司的 LED 組裝在一起。圖 6 生動(dòng)地顯示了結果，從而描述出了無(wú)散熱片(圖 左側)和有散熱片(圖右側)時(shí) LED 的溫度情況。

軟件本應用中 MSP430 軟件的源代碼可以從 Elektor 網(wǎng)站上下載。該代碼以包括“MSP430F21x2.h”報頭文件作為開(kāi)始，該文件包含了所 有控制寄存器名稱(chēng)以及 MSP430 中可用控制比特的定義。接下來(lái)，顏色表的長(cháng)度就被定義了出來(lái)。這里需要注意的是， “LED_TabLength”的值實(shí)際上被設定為四倍表長(cháng)度。然后，按照顏色表本身，為每一個(gè)單獨的 LED 使用一個(gè)單獨的陣列。指示器 “LEDptr”被用于從單個(gè)顏色表陣列中讀取所有三個(gè)輸出的相應 PWM 脈沖間隔比設置：也可以參見(jiàn)文本框“顏色表”。微控制器在函數“main()”的開(kāi)始便被初始化?？撮T(mén)狗定時(shí)器被關(guān)閉，可調系統時(shí)鐘的校準值被加載，定時(shí)器 A 模塊得到配置，同 時(shí)多元輸入和輸出均被適當地初始化。主環(huán)路由兩個(gè)“while”塊組成。在第一個(gè)“while”塊中，顏色表指示器 LEDptr 增加，其將導致 PWM 脈沖間隔不斷變化，并由此生成不同的顏色。使用兩個(gè)嵌套的“for”環(huán)路來(lái)對這些顏色變化的總時(shí)間進(jìn)行控制。第一個(gè)“while”環(huán) 路運行到旋轉編碼報告其輸出中出現變化為止。然后，第二個(gè)被寫(xiě)成一個(gè)無(wú)限環(huán)路的“while”塊接過(guò)控制權：它根據旋轉編碼被轉換 的方向來(lái)增強或衰減顏色表指示器。

光明的未來(lái)印刷電路板允許實(shí)施更多的功能，例如：專(zhuān)門(mén)針對 TI eZ430-RF2500 射頻模塊的芯片 (socket)。eZ430-RF2500 套件由兩個(gè)射頻模塊 供電。(通過(guò)在射頻模塊的微控制器上使用測試引腳)，其中的一個(gè)模塊可以適用于旋轉編碼器，從而創(chuàng )建一個(gè)到 LED 電路板的無(wú) 線(xiàn)鏈路。這里所說(shuō)的電路板主要用于實(shí)驗和評估。由于可以獲得 MSP430 源代碼，因此我們可以對其進(jìn)行修改以用于其他項目。我們還 可以在其他一些應用中運用開(kāi)關(guān)調節器：希望您能樂(lè )在其中!

圖 5 用于構建圖 3 和圖 4 中電路的印制電路板。有三個(gè)不同版本供您下載，以支持不同類(lèi)型的 LED。

圖 6 和 Cree 公司的 LED 一起組裝的電路板散熱圖。左側：無(wú)散熱片;右側：有散熱片。

  led凈化燈led凈化燈生產(chǎn)廠(chǎng)家led凈化燈廠(chǎng)家珠海led凈化燈廣州led凈化燈廈門(mén)led凈化燈