三種高亮度 LED 照明的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

高亮度 LED 在照明應(yīng)用中的使用越來越廣泛。我們?cè)谶@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 均由使用開關(guān)調(diào)節(jié)器的恒定電流來供電，同時(shí)亮度控制由能夠產(chǎn)生三種 PWM 信號(hào)的 MSP430 微控制器來完成?？梢杂媚?砂玻璃外殼將印刷電路板安裝到臺(tái)燈中，或者也可以和 LED 聚光燈一起使用來進(jìn)行間接照明。無論其功耗有多大，現(xiàn)在的 LED 通常都使用一個(gè)恒定電流源來驅(qū)動(dòng)。這是因?yàn)橐粤髅?(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 廠商都規(guī)定了諸如光輸出(有時(shí)稱為光學(xué)效率)、可視角度和波長(zhǎng)等參數(shù)，作為正向電流 IF 的函數(shù)，而非像人 們所期望的那樣作為正向電壓 VF 的函數(shù)。所以，我們?cè)陔娐分惺褂昧诉m當(dāng)?shù)暮愣娏髡{(diào)節(jié)器。用于高亮度 LED 的恒定電流市場(chǎng)上大多數(shù)開關(guān)調(diào)節(jié)器都被配置為恒定電壓源，而非恒定電流源。將恒定電壓調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)換為恒定電流運(yùn)行必須要對(duì)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(diào)節(jié)了的電流感應(yīng)電阻器，而非通常用于設(shè)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)開關(guān)調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)

LED 亮度調(diào)節(jié)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：通過降低流經(jīng) LED 的電流帶來降低其亮度。然而不幸的是，這種方法存在兩個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)。首先，LED 的亮度并非嚴(yán)格地和電流成正比例關(guān)系， 其次，當(dāng)電流的變化超過 LED 額定值時(shí)發(fā)光的波長(zhǎng)(以及由此帶來的顏色變化)可能會(huì)隨著電流變化而發(fā)生變化。這兩種現(xiàn)象通常 是我們不希望看到的。稍微復(fù)雜一點(diǎn)的控制方法是使用能夠提供 LED 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 開啟和關(guān)閉，從而平均發(fā)出更少的光，感覺就像是光的強(qiáng)度降低了。通過脈沖間隔比，我們可以較輕松地 對(duì) LED 的感知亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種方法被稱為脈寬調(diào)制(或 PWM)。

利用 PWM 進(jìn)行調(diào)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(zhuǎn)換器，其具有集成的開關(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(hào)直接連接至 EN(使能)引腳的可能性。整個(gè)開 關(guān)調(diào)節(jié)器電路和 PWM 信號(hào)一起開啟和關(guān)閉。在我們實(shí)驗(yàn)中的試驗(yàn)表明，在這種配置中，我們可以使用一個(gè)高達(dá) 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?yàn)樵撻_關(guān)調(diào)節(jié)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(duì)使能引腳上高電平的反應(yīng)被延遲。這是因?yàn)殚_關(guān)調(diào)節(jié)器具有一種“軟啟動(dòng)”功能：當(dāng)器件被開啟時(shí) ，輸出電流逐漸上升，直到其達(dá)到額定的 LED 電流。在一些應(yīng)用中，這種上升斜坡可能會(huì)存在一些問題，因?yàn)?LED 發(fā)光的波長(zhǎng)隨電 流從其最小值到正常工作電平的逐漸增強(qiáng)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 們無法接受的。但是，就這個(gè)示范項(xiàng)目而言，肉眼無法看到這種影響。在第二個(gè)變量中(圖 2 中紅色所示部分)，PWM 信號(hào)通過一個(gè)小信號(hào)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 600mV 的正電壓會(huì)使誤差放大器輸入驅(qū)動(dòng)過度，并由此關(guān)閉 LED。由于這個(gè)電路沒有使用使能 輸入，因此它不具有與調(diào)節(jié)器軟啟動(dòng)功能相關(guān)的啟動(dòng)延遲，且 LED 被極為快速地開啟和關(guān)閉。因此，上述電流斜坡所帶來的輸出波長(zhǎng)變化在本結(jié)構(gòu)中小到可以被忽略不計(jì)。另外，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)，PWM 頻率可以上升 到 5kHz。圖 2 中藍(lán)色部分顯示了第三種可能性。這里的 PWM 信號(hào)被用于控制線連至 LED 的 MOSFET。MOSFET 使 LED 短路，并允許其 被更加快速地開啟和關(guān)閉。該調(diào)節(jié)器運(yùn)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 帶來的額外成本以及低效能：在 2Ω 電流感應(yīng)電阻器中會(huì)有高達(dá) 180mW 的功率被不斷耗散掉。其優(yōu)點(diǎn)是較高的開關(guān)頻率： 在一些實(shí)驗(yàn)中，我們看到 TPS62260 可以成功運(yùn)行在 50kHz PWM 頻率的狀態(tài)下。

圖 2 實(shí)施調(diào)光功能的三種方法

圖 3 使用 JTAG 連接 (JP1)、eZ430 連接器 (JP2) 和旋轉(zhuǎn)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關(guān)調(diào)節(jié)器和一個(gè)使用分立組件構(gòu)建的 3.3V 穩(wěn)定電源組成的電路部分實(shí)際電路

該電路的核心(請(qǐng)參見圖 3和圖 4)為一個(gè) MSP430F2131 微控制器。對(duì)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(zhuǎn)編碼器 (R1) 讀取數(shù)值。編碼器值用于對(duì)一個(gè)包含所有紅色、綠色和藍(lán)色 LED 脈沖間隔比值的查尋表編索引。然后，相應(yīng)的 PWM 信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)在接近 122Hz 頻率時(shí)的輸出引腳 TA0、TA1 和 TA2 上。該信號(hào)的強(qiáng)度足以確保 LED 不會(huì)出現(xiàn)閃爍，因?yàn)檠劬?單個(gè)光脈沖平滑成了一個(gè)平均可感知強(qiáng)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(fù)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(lán)色(D34)均由一個(gè)來自單個(gè) TPS62260 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的恒定電流供電。2Ω 電阻器將流經(jīng) LED 的額定電流設(shè)定在 300mA。使用 TPS62260 的“大哥”級(jí)產(chǎn)品 TPS62290 可以獲得更強(qiáng)的電流(高達(dá) 1A)，其采用相同的方式進(jìn)行 封裝。使用小信號(hào)二極管(D13、D23 和 D33)耦合 PWM 信號(hào)。當(dāng) PWM 信號(hào)較高時(shí)，其會(huì)超過相應(yīng)開關(guān)調(diào)節(jié)器的正常誤差信號(hào)輸入，其 具有一個(gè) 600 mV 的極限電壓電平。這就是說，PWM 信號(hào)的高電平會(huì)迫使 LED 熄滅。當(dāng) PWM 信號(hào)最終降低時(shí)，該調(diào)節(jié)器再次啟動(dòng) ，同時(shí) LED 亮起。整個(gè)電路均由一個(gè)經(jīng)過調(diào)節(jié)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(gòu)建的簡(jiǎn)單穩(wěn)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(gòu)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(qū)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(shù)，其會(huì)給工作壽命、正向電壓、輸出波長(zhǎng)甚至是設(shè)備的亮度帶來很大影 響。LED 的工作溫度越高，其預(yù)期壽命就越短。考慮到這一因素，我們選擇的實(shí)驗(yàn)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。在滿功率下運(yùn)行時(shí)，這可以將 LED 的溫度從 61 °C(無 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(qū)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(jié)果，從而描述出了無散熱片(圖 左側(cè))和有散熱片(圖右側(cè))時(shí) LED 的溫度情況。

軟件本應(yīng)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(bào)頭文件作為開始，該文件包含了所 有控制寄存器名稱以及 MSP430 中可用控制比特的定義。接下來，顏色表的長(zhǎng)度就被定義了出來。這里需要注意的是， “LED_TabLength”的值實(shí)際上被設(shè)定為四倍表長(zhǎng)度。然后，按照顏色表本身，為每一個(gè)單獨(dú)的 LED 使用一個(gè)單獨(dú)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(yīng) PWM 脈沖間隔比設(shè)置：也可以參見文本框“顏色表”。微控制器在函數(shù)“main()”的開始便被初始化?？撮T狗定時(shí)器被關(guān)閉，可調(diào)系統(tǒng)時(shí)鐘的校準(zhǔn)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(dāng)?shù)爻跏蓟Ｖ鳝h(huán)路由兩個(gè)“while”塊組成。