設(shè)計(jì)差異化：詳解在LED燈具中加入智能控制

LED照明的出現(xiàn)改變了照明的使用方式，在LED燈具中加入智能控制及調(diào)色功能為設(shè)計(jì)人員開創(chuàng)了新的機(jī)會(huì)。LED效率高、具調(diào)光能力、壽命長等優(yōu)勢(shì)，能讓可變色燈具的效率更高、更具成本效益并且更加容易取得。數(shù)碼信號(hào)控制器(DSC)可驅(qū)動(dòng)各種創(chuàng)新應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)更高效率的LED驅(qū)動(dòng)、更精確的色彩控制并與外部有著更良好的溝通。以上優(yōu)勢(shì)匯集使得設(shè)計(jì)人員擁有更大的自由開發(fā)高度差異化的LED照明燈具。

　　低功率指示器LED為許多產(chǎn)品的基本，大多數(shù)工程師都很熟悉其簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。只要一個(gè)電壓源以及具有正確數(shù)值的串聯(lián)電阻，便能將LED電流保持在小于5毫安的水平。透過連接至微控制器的通用型輸入輸出(GPIO)接腳，可讓LED閃爍；然而，要將超過350毫安的順向電流串接在一起形成高亮度、高電流LED，其設(shè)計(jì)會(huì)變得相當(dāng)復(fù)雜。設(shè)計(jì)人員在溫度變化及LED本身的高溫問題外，還需面臨電流控制的挑戰(zhàn)。

　　圖一：使用脈沖電流進(jìn)行調(diào)光，顏色變化上不易察覺。

　　圖二：驅(qū)動(dòng)單顆LED或LED燈串的降壓技術(shù)。　　電流控制

　　高亮度LED需維持在一個(gè)相對(duì)高的定電流來保持一定的亮度和顏色。LED的光通量與流經(jīng)LED的順向電流成正比，要達(dá)到一致的顏色和光線輸出，關(guān)鍵是恒定的順向電流。順向電流會(huì)跟著電壓源產(chǎn)生改變，造成LED發(fā)射出的光線變動(dòng)。因此，需使用能主動(dòng)調(diào)節(jié)順向電流的電源供應(yīng)器來驅(qū)動(dòng)。

　　溫度控制

　　一般而言，LED的順向電壓會(huì)隨著溫度上升而增加，即使順向電流是不變且經(jīng)過調(diào)整的。高功率LED會(huì)產(chǎn)生熱能，導(dǎo)致LED壽命縮減并提早發(fā)生故障。控制LED的順向電流能讓個(gè)別設(shè)計(jì)根據(jù)目標(biāo)順向電流及預(yù)估順向電壓來決定散熱水平。使用溫度感應(yīng)器提供了一個(gè)監(jiān)控溫度狀況的方法。

　　色彩控制

　　LED幾乎可以瞬間改變輸出光線，適用于需迅速改變顏色的燈具。只要簡(jiǎn)單調(diào)整每一個(gè)LED的亮度，就可以紅色、綠色和藍(lán)色的LED燈串創(chuàng)造出任何顏色。提高或降低每一個(gè)LED的順向電流為其中一種方法，但順向電壓的改變不僅會(huì)改變亮度，也會(huì)稍微改變LED的顏色。在需要精確顏色的應(yīng)用上將會(huì)造成問題。

　　另一種方法是采用脈沖電流(pulsedcurrent)，此方法能提供相同的調(diào)光效果，卻不會(huì)讓顏色出現(xiàn)可察覺的變化。圖一中紅色虛線代表平均脈沖電流可創(chuàng)造出的亮度變化，同時(shí)保持LED順向電壓的一致性。在顏色上不會(huì)產(chǎn)生可察覺的變化。

　　數(shù)碼調(diào)光控制

　　使用脈沖電流技術(shù)來進(jìn)行調(diào)光，數(shù)碼信號(hào)控制器可大幅簡(jiǎn)化其設(shè)計(jì)。數(shù)碼信號(hào)控制器上的先進(jìn)脈沖寬度調(diào)變(PWM)模塊，可用來產(chǎn)生PWM信號(hào)，用來控制LED的功率級(jí)。PWM模塊具有重置輸入，可以透過快速并精確地關(guān)閉PWM輸出來控制電流，實(shí)現(xiàn)LED調(diào)光。調(diào)光的數(shù)量介于全滅(0)及全亮(255)數(shù)值之間的量化數(shù)字。將LED亮度設(shè)定為50%，計(jì)數(shù)器會(huì)從0數(shù)到255，并在128(50%)時(shí)關(guān)閉PWM的輸出，這時(shí)將無任何電流通過LED；當(dāng)計(jì)數(shù)器到達(dá)最大值255時(shí)會(huì)歸0，同時(shí)PWM會(huì)重新啟動(dòng)。不斷重復(fù)此過程便能產(chǎn)生LED調(diào)光所需的脈沖電流。一般會(huì)使用400Hz以上的頻率來確保人眼無法看見LED的閃爍。

　　數(shù)碼LED驅(qū)動(dòng)

　　除了調(diào)光控制外，數(shù)碼信號(hào)控制器也能主動(dòng)提供電源來控制流向高亮度LED的順向電流。降壓和升壓開關(guān)模式電源供應(yīng)技術(shù)(SwitchModePowerSupply；SMPS)能被用來為LED供電?！　∪?span id="umqc80e" class="hrefStyle" style="word-break: break-all; ">LED或LED燈串的順向電壓小于電源電壓，便可使用降壓技術(shù)。如圖二所示，在此技術(shù)中，PWM會(huì)控制開關(guān)(Q)，以及當(dāng)開關(guān)(Q)關(guān)閉時(shí)對(duì)應(yīng)于LED順向電流的感測(cè)電阻(Rsns)電壓。數(shù)碼信號(hào)控制器的比較器被用來比較流經(jīng)電阻(Rsns)的電壓及可配置的內(nèi)部參考電壓，此參考電壓與LED所需的順向電流成正比。感測(cè)電壓大于內(nèi)部參考電壓時(shí)，類比比較器會(huì)阻止PWM打開開關(guān)(Q)，電感(L)會(huì)將儲(chǔ)存電流放電至二極管(D)及LED。在下一個(gè)PWM周期開始時(shí)，開關(guān)(Q)會(huì)關(guān)閉；然后不斷重復(fù)此過程。數(shù)碼信號(hào)控制器可主動(dòng)調(diào)整流至LED的順向電流，無需動(dòng)用任何CPU的資源。

　　反之，若LED或LED燈串的順向電壓大于電源電壓則可使用順向電壓。PWM會(huì)控制開關(guān)(Q)，流經(jīng)感測(cè)電阻(Rsns)的順向電流會(huì)被監(jiān)測(cè)。數(shù)碼信號(hào)控制模塊上的類比數(shù)碼轉(zhuǎn)換(ADC)模塊會(huì)取樣流經(jīng)感測(cè)電阻的電壓，對(duì)應(yīng)至LED的順向電流。此數(shù)值會(huì)被比例積分(ProportionalIntegral；PI)控制回路所采用，由數(shù)碼信號(hào)控制器的軟