低成本三基色大功率LED驅(qū)動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)三基色LED(Light Emitting Diode)驅(qū)動(dòng)成本高、電路設(shè)計(jì)復(fù)雜的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款用于三基色大功率LED驅(qū)動(dòng)控制方案。設(shè)計(jì)并制作電路驅(qū)動(dòng)LED模型裝置，通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生三路PWM(Pulse Width Modulation)波來(lái)控制MOSFET，從而分別控制三路LED，這樣只需要一個(gè)DC/DC(Direct Current/Direct Current)驅(qū)動(dòng)器，就能實(shí)現(xiàn)三路LED的調(diào)節(jié)，而且通過(guò)特定算法將上位機(jī)傳送的標(biāo)準(zhǔn)Yxz值(遵循標(biāo)準(zhǔn)ZLL，ZigBee Light Link協(xié)議)轉(zhuǎn)化為RGB(Red Green Blue)值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，三路LED調(diào)節(jié)反應(yīng)迅速，顯色效果優(yōu)秀。

三基色混色需要幾個(gè)條件，一是分別發(fā)出紅、綠、藍(lán)三種顏色的LED光源;二是三種光源能夠分別獨(dú)立控制;三是擁有混色比例的算法?，F(xiàn)代LED制造工藝的發(fā)展，分別發(fā)出單色光的LED不是難題，如何單獨(dú)控制每路LED也很好實(shí)現(xiàn)，只是控制效果和體積成本等方面的差別。由于人們對(duì)品質(zhì)的追求，驅(qū)動(dòng)控制方案層出不窮，提出了通過(guò)獨(dú)立控制PWM來(lái)

驅(qū)動(dòng)三路大功率LED的方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)三基色的混色。在Buck(降壓電路)的基礎(chǔ)上，利用恒流控制芯片的特性，將開(kāi)關(guān)管與LED串并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED串的控制。LED控制部分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅需要幾個(gè)簡(jiǎn)單的三極管及MOSFET等元件，即可以達(dá)到控制要求。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)LED的三基色混色，選擇PWM調(diào)光方式，系統(tǒng)共包括兩大部分，一是驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)，包括AC/DC(Alternating Current/Direct Current)驅(qū)動(dòng)電源和DC/DC驅(qū)動(dòng)電源及LED調(diào)節(jié)控制，該部分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電及LED的驅(qū)動(dòng);二是系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，其中包括三基色轉(zhuǎn)換算法，該部分完成上位機(jī)與單片機(jī)的通訊及單片機(jī)對(duì)LED的控制。

1.1 AC/DC驅(qū)動(dòng)電源

驅(qū)動(dòng)電源輸入端采用交流寬電壓范圍為85～265VAC/50 Hz，輸出端為兩路恒定電壓VOUT1和VOUT2，VOUT1為40 V/300 mA，VOUT2為5 V/100 mA，電路原理如圖1。

工作原理：接通電源后，交流電壓經(jīng)過(guò)整流橋后輸出正弦半波直流脈動(dòng)電壓，通過(guò)R5、R6給芯片VCC腳一個(gè)啟動(dòng)電壓，芯片開(kāi)始工作。芯片正常工作時(shí)，由變壓器T2的輔助繞組供電，芯片GD腳輸出PWM波控制開(kāi)關(guān)Q1的通斷。直流輸出電壓VOUT1作為主反饋，經(jīng)PC817輸入芯片的INV腳，作為乘法器的輸入。同時(shí)整流橋后端電壓經(jīng)電阻R1、R2、R3與R4分壓后，在芯片MULT腳得到正弦半波信號(hào)，作為乘法器的另一輸入端。乘法器輸出得到正弦半波參考電壓，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，原邊繞組電流增大，經(jīng)電阻R18在芯片CS腳產(chǎn)生電壓與正弦參考電壓作比較，當(dāng)CS電壓達(dá)到正弦幅值時(shí)，Q1截止。當(dāng)Q1截止時(shí)，原邊繞組電感極性反轉(zhuǎn)，輔助繞組極性為正電位，經(jīng)電阻R7在ZCD腳產(chǎn)生電壓，以檢測(cè)低壓點(diǎn)(0.7 V)，達(dá)到此值，芯片GD腳輸出高電平，使Q1導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)諧振。

1.2 DC/DC驅(qū)動(dòng)電源及LED調(diào)節(jié)控制電路

ZXLD1362是一個(gè)連續(xù)模式降壓型LED驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)置MOSFET，可驅(qū)動(dòng)最大1A電流，具有電流檢測(cè)功能，可實(shí)現(xiàn)恒流。DC/DC驅(qū)動(dòng)電源電路原理圖如圖2，當(dāng)電源啟動(dòng)時(shí)，由于電感L2的存在，電流會(huì)緩慢變大，芯片SET腳檢測(cè)電壓值達(dá)到0.1 V時(shí)，關(guān)斷內(nèi)部MOSFET，此時(shí)電感極性反轉(zhuǎn)，電流回路通過(guò)肖特基二極管D20續(xù)流，電流開(kāi)始下降，當(dāng)SET腳電壓下降至0.01V時(shí)，內(nèi)部MOSFET開(kāi)通，這樣周而復(fù)始循環(huán)。每個(gè)LED的通過(guò)電流都是恒定的300 mA，當(dāng)由PWM信號(hào)控制LFD旁路MOSFET的通斷時(shí)，就形成LED的通過(guò)，3種色彩LED的不同通斷組合，就可以混合出各種色彩及亮度。

LED調(diào)節(jié)電路包括3套完全相同的控制電路，每套電路都包含3個(gè)三極管和一個(gè)功率MOSFET管，根據(jù)圖2中PWM1對(duì)應(yīng)的一套電路來(lái)分析。三極管Q1接收到PWM1信號(hào)，當(dāng)其為高電平時(shí)，Q1截止，射極連接到三極管Q2、Q3的基極，且為高電平，Q2導(dǎo)通，Q3截止，輸出到功率MOSFET管Q4管柵極電平為高，Q4管導(dǎo)通，將對(duì)應(yīng)的LED串短路;當(dāng)PWM1信號(hào)為低電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，射極連接到Q2、Q3的基極，且為低電平，Q2截止，Q3導(dǎo)通，輸出到Q4柵極電平為低，Q4截止，對(duì)應(yīng)的LED串正常導(dǎo)通。三極管Q1、Q2為NPN管，三極管Q3為PNP管，MOSFET管Q4為NMOS管。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件架構(gòu)

軟件系統(tǒng)主要包括兩部分，一為串口接收命令及對(duì)命令的解析;二為根據(jù)三基色配比，改變TMRx中的值，從而產(chǎn)生不同占空比的PWM。首先自定義數(shù)據(jù)通信協(xié)議，通信中的數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送與接收，一個(gè)數(shù)據(jù)包稱(chēng)為一幀數(shù)據(jù)。一幀數(shù)據(jù)由以下幾個(gè)部分組成：幀頭、地址信息、數(shù)據(jù)類(lèi)型、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)塊、校驗(yàn)碼、幀尾。幀頭和幀尾用于數(shù)據(jù)包完整性的判別，幀頭定義為0xAA885E，幀尾定義為0x0D。地址信息主要用于多機(jī)通信中，通過(guò)地址信息的不同來(lái)識(shí)別不同的通信終端，統(tǒng)一定義為0x00，這里定義作為預(yù)留。數(shù)據(jù)類(lèi)型、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)塊是主要的數(shù)據(jù)部分，數(shù)據(jù)類(lèi)型可以標(biāo)識(shí)后面緊接著的命令還是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度用于指示有效數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。校驗(yàn)碼則用來(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性和正確性，由對(duì)數(shù)據(jù)段作累加和得到。系統(tǒng)上電，軟件初始化后，處于等待中斷狀態(tài)，當(dāng)上位機(jī)通過(guò)串口發(fā)送指令，單片機(jī)解析指令，通過(guò)RB5、RB3、RB0輸出不同的PWM信號(hào)。

軟件系統(tǒng)框圖如圖3。系統(tǒng)上電后，程序首先進(jìn)行初始化，接著打開(kāi)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的監(jiān)聽(tīng)，一旦接收到關(guān)機(jī)命令，即輸出關(guān)機(jī)，結(jié)束系統(tǒng)運(yùn)行。程序接下來(lái)執(zhí)行異常狀態(tài)的偵測(cè)，包括數(shù)據(jù)是否完全初始化成功、狀態(tài)變量的賦值、死循環(huán)等，偵測(cè)到異常狀態(tài)，則做自我修復(fù)，否則重新進(jìn)行初始化。接著打開(kāi)命令接收監(jiān)聽(tīng)，對(duì)接收到的命令進(jìn)行解析，如果是控制LED命令則進(jìn)入中斷，使能PWM輸出相應(yīng)數(shù)據(jù)，而后恢復(fù)中斷，繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)下一個(gè)狀態(tài)量的到來(lái)。進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，首先檢測(cè)相應(yīng)中斷標(biāo)志位，有中斷標(biāo)志置位，則清除相應(yīng)中斷標(biāo)志位，輸出PWM產(chǎn)生信號(hào)，否則繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)中斷狀態(tài)。

2.2 色度轉(zhuǎn)換算法

在色譜的表色方法中，CIE1931Yxy表色法是最常用的，在Yxy色度圖中，x色度坐標(biāo)相當(dāng)于紅原色的比例，y色度坐標(biāo)相當(dāng)于綠原色的比例，Y表示顏色亮度特征的亮度因數(shù)。

筆者通過(guò)單片機(jī)接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的串口數(shù)據(jù)，便是x、y值，再通過(guò)ZLL協(xié)議的算法來(lái)對(duì)x、y值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，來(lái)獲得R’、G’、B’值，從而得到調(diào)節(jié)三路PWM的值。變換過(guò)程如圖4。

2.2.1 xyY轉(zhuǎn)化為XYZ

根據(jù)CIEl931表色法的定義得到

2.2.2 XYZ轉(zhuǎn)化為RGB

光源通常都是不確定變化的數(shù)值，但是當(dāng)提供標(biāo)準(zhǔn)的比色法數(shù)值時(shí)，有助于分析各種光源。不同的標(biāo)準(zhǔn)光源滿(mǎn)足不同的應(yīng)用場(chǎng)合，根據(jù)CIE1931的規(guī)定，幾種標(biāo)準(zhǔn)光源的數(shù)值如表3。

如果XYZ與RGB是相同的光源，則不需做任何變換;如果XYZ與RGB不是相同的光源，則需要布拉德福德矩陣來(lái)進(jìn)行變換，變換公式如下。

該矩陣是三基色所限定的空間中執(zhí)行得到，表示在XYZ坐標(biāo)中，而相對(duì)于純白色這一特殊情況時(shí)，可以更加精確地得到紅、綠、藍(lán)的值，其特征與已知的XYZ坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)。X’、y’、Z’與RGB之間的轉(zhuǎn)換公式如下

2.2.3 RGB轉(zhuǎn)化為R’G’B’

人眼對(duì)外界光源的感光值與輸入光強(qiáng)不是呈線性關(guān)系的，而是呈指數(shù)型關(guān)系。在低照度下，人眼更容易分辨出亮度的變化，隨著照度的增加，人眼不易分辨出亮度的變化。不過(guò)，這可以通過(guò)gamma校正來(lái)解決，所謂gamma校正是對(duì)輸入圖像灰度值進(jìn)行的非線性操作，使輸出圖像灰度值與輸入圖像灰度值呈指數(shù)關(guān)系：

Vout=AViny (5)

Vout、Vin指輸入輸出，A是變換系數(shù)，y是gamma校正系數(shù)。

RGB與R’G’B’的轉(zhuǎn)換公式如下

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)得單片機(jī)輸出PWM波及對(duì)應(yīng)的LED電流波形如圖5所示，從圖中可以看出，PWM的頻率為404.8 kHz，占空比可以調(diào)節(jié)，經(jīng)測(cè)試，輸出頻率范圍為50 Hz到500 kHz之間，占空比可調(diào)節(jié)范圍為0.05到1之間，輸出電壓大約為3.3 V，足以驅(qū)動(dòng)MOSFET。輸出電流峰值大約在300 mA左右，以400 kHz的頻率調(diào)節(jié)電流輸出，占空比為0.5。將PWM輸出電壓波形取反，以便觀察，從圖中可以看出，當(dāng)其為高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的LED電流大約為300mA，而且紋波很小，大約為3%;當(dāng)其為低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的LED電流大約為-50 mA，這是由電路續(xù)流產(chǎn)生的，對(duì)LED的工作沒(méi)有影響。電流的輪換速率達(dá)到微秒級(jí)，具有很小的上升與下降時(shí)間，而且隨著PWM的電壓變化，電流也實(shí)時(shí)地變化，完全可以自由控制導(dǎo)通時(shí)間及占空比。每一路的通斷都是由相同頻率的PWM控制的，在調(diào)配各個(gè)LED燈串的導(dǎo)通時(shí)間比例時(shí)，很有優(yōu)勢(shì)，實(shí)際測(cè)試下來(lái)與圖5中的結(jié)果完全一致。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)三基色LED驅(qū)動(dòng)電源及色彩轉(zhuǎn)換算法的研究，設(shè)計(jì)了一套驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)控制方案，通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，僅使用幾個(gè)簡(jiǎn)單的三極管、MOSFET管等元件來(lái)實(shí)現(xiàn)LED的控制。實(shí)驗(yàn)表明，PWM信號(hào)可以很好地控制LED電流，電流響應(yīng)速率達(dá)到微秒級(jí)，而且具有較大的功率。該控制方案的實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，而且成本低、功率大，為三基色混色的智能控制提供了有效的解決方案。