三基色LED照明燈的設(shè)計制作

通常LED都是使用恒流源來驅(qū)動的。這是因為它們的亮度是由“流明”(Im)來衡量的，而流明正比于電流.因此。所有的發(fā)光二極管的制造商使用的是正向電流I1而不是用正向電壓V，來指定參數(shù)，如光輸出、可視角度和波長等的。因此，在這個電路中，我們使用了合適的恒流穩(wěn)壓器。
一、高亮LED的恒定電流
市場上大多數(shù)的開關(guān)穩(wěn)壓器是用來穩(wěn)壓的，而不是作為恒流源的。一個可以用于修改電路的方法是將穩(wěn)壓器不斷進(jìn)行轉(zhuǎn)換恒定電壓到恒定電流的操作。我們通常在需要調(diào)節(jié)電壓的地方使用分壓電阻用來代替分壓器，如下圖所示。

二、降低LED的亮度
有兩種方法可以調(diào)節(jié)LED的亮度。第一種，也是最簡單的方法，就是模擬控制——低電流產(chǎn)生的亮度比較暗。不幸的是這種方法有兩個很大的弊端：首先，LED的亮度并不是嚴(yán)格與電流成比例的；其次，發(fā)射光線的波長與正常的LED值不同。這兩種情況都是不可取的。第二種是稍微復(fù)雜的控制方法，采用恒流源為LED提供標(biāo)稱的工作電流。一個額外的電路能以給定的比率很快的打開或關(guān)閉發(fā)光二極管，從平均上看發(fā)光二極管的亮度折中。這被視為減少光照強度。通過調(diào)節(jié)這個比率，我們可以很容易地讓發(fā)光二極管發(fā)出合適的亮度。這種方法被稱為脈寬調(diào)制（或PWM)。

三、用PWM調(diào)節(jié)亮度
我們以用TPS62260控制產(chǎn)生PWM為例來說明。TPS62260是一個集成的同步降壓轉(zhuǎn)換開關(guān)元件器，典型的時鐘頻率是225MHz。在下圖所示的電路中。
我們將PWM信號直接連接到了它的使能引腳上了。整個開關(guān)穩(wěn)壓電路的啟動和關(guān)閉是由PWM信號控制的。試驗表明，使用這種連接方法最高可以輸入100Hz的PWM信號。這樣做的好處是它簡單，不需額外的器件。這也是最有效的，因為在它不工作時，開關(guān)穩(wěn)壓器只能產(chǎn)生很小的靜態(tài)電流。它的缺點是這導(dǎo)致了使能腳上的LED變高時的延時。這是因為開關(guān)穩(wěn)壓器有個個“軟啟動”功能：當(dāng)裝置啟動，輸出的電流是逐漸增大的，直到達(dá)到LED的額定電流。在某些應(yīng)用中，這些可能會是問題，比如不同LED所產(chǎn)生的光的波長，電流是從它的最小值逐漸增加到它的正常操作水平的。例如，在一個PLD項目或液晶電視面板的LED背光燈中。這種變化是不允許的。但是在這個例子中。對眼睛的影響不是很明顯。
第二種變型(下圖)中，小于5kHz的PWM信號是通過一個小信號二極管TS4148RY耦合到TPS62260的誤差放大器的輸入。在這種配置中，輸出波長的轉(zhuǎn)移是由電纜來決定的。因此它的影響微乎其微。此外，我們在實驗室發(fā)現(xiàn)，PWM頻率可提高到5kl-1z。
第三種可能的方法是小于50kHz的PWM信號用來控制一個與LED相連的MOS場效應(yīng)管Si302ADS。場效應(yīng)管使LED短路并能更迅速地使它開啟和關(guān)閉。調(diào)節(jié)器工作在恒流模式，因此電流要么流過LED，要么流過場效應(yīng)管。這種方法的缺點在于增加了場效應(yīng)管的花費和低效率：多達(dá)180mW的功率會浪費在2Q的限流電阻上。它的優(yōu)點是高輸入頻率：在試驗中，我們成功地給TPS62260輸入了高達(dá)50kl-1z的頻率。

四、實際電路

電路的核心(上圖和下圖)是一個MSP430F2131微控制器。它被編程為三相PWM發(fā)生器，同時讀取來自旋轉(zhuǎn)編碼器(R1)的值。這個編碼值用來作為索引查找表，控制每個紅色、綠色和藍(lán)色發(fā)光二極管的脈沖間隔比率。相應(yīng)的PWM信號可在輸出腳TA0，TAl和TA2上提供，頻率大概為122Hz。由于人眼的視覺暫留，這個頻率可以確保LED不會閃爍。
為切實執(zhí)行，我們選擇了小于5kHz的PWM控制方法，這是一個很好的在電路復(fù)雜性和性能之間折中的方法。如下圖所示，每種顏色的發(fā)光二極管[紅的red(D14)，綠色greell(D24)和藍(lán)色bIue([334)]都由一個獨立的TPS62260DC／DC轉(zhuǎn)換器提供恒定電流。2Q的電阻設(shè)定了流經(jīng)發(fā)光二極管的額定電流為300mA。大電流(達(dá)到1A)可以使用TPS62260的“哥哥”TPS62290。它的封裝與TPS62260相同。
FWM信號是由一個小信號二極管(D13、D23、D33)耦合的。當(dāng)PWM信號過高時，它會反轉(zhuǎn)相應(yīng)的開關(guān)穩(wěn)壓器的錯誤信號輸入，這個穩(wěn)壓器有一個電壓為600rnV的閾值電壓。這就意味著過高的PWM信號會迫使發(fā)光二極管熄滅。隨后，當(dāng)PWM信號變低時，調(diào)節(jié)器再次開始運轉(zhuǎn)，發(fā)光二極管又會變亮。熱片同時也能幫助印制電路板散熱。
整個電路是由一可控的5V、1A的直流電源適配器供電的。一個使用電阻和齊納二極管的簡單穩(wěn)壓電路克將5V的電壓降低為33V的電壓，從而可以給MSP430供電。

電路可以按下圖所示的印制電路板布置。有三個版本的電路板，不同之處只是在于發(fā)光二極管的封裝和尺寸，這樣能夠使用不同的發(fā)光二極管。

用來試驗的印制電路板的雙面都使用了SK477100散熱片，它們是用雙面膠固定在板子上的。滿功耗運行時，可以把發(fā)光二極管的溫度從61℃(不使用散熱片)降低到54。C(使用散熱片)。散熱片同時也能幫助印制電路板散熱。