三基色LED照明燈的設(shè)計(jì)制作

通常LED都是使用恒流源來(lái)驅(qū)動(dòng)的。這是因?yàn)樗鼈兊牧炼仁怯?ldquo;流明”(Im)來(lái)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(lái)指定參數(shù)，如光輸出、可視角度和波長(zhǎng)等的。因此，在這個(gè)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(chǎng)上大多數(shù)的開關(guān)穩(wěn)壓器是用來(lái)穩(wěn)壓的，而不是作為恒流源的。一個(gè)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(lái)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(jiǎn)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(gè)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(zhǎng)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L(zhǎng)ED提供標(biāo)稱的工作電流。一個(gè)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(qiáng)度。通過(guò)調(diào)節(jié)這個(gè)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(lái)說(shuō)明。TPS62260是一個(gè)集成的同步降壓轉(zhuǎn)換開關(guān)元件器，典型的時(shí)鐘頻率是225MHz。在下圖所示的電路中。
我們將PWM信號(hào)直接連接到了它的使能引腳上了。整個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓電路的啟動(dòng)和關(guān)閉是由PWM信號(hào)控制的。試驗(yàn)表明，使用這種連接方法最高可以輸入100Hz的PWM信號(hào)。這樣做的好處是它簡(jiǎn)單，不需額外的器件。這也是最有效的，因?yàn)樵谒还ぷ鲿r(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器只能產(chǎn)生很小的靜態(tài)電流。它的缺點(diǎn)是這導(dǎo)致了使能腳上的LED變高時(shí)的延時(shí)。這是因?yàn)殚_關(guān)穩(wěn)壓器有個(gè)個(gè)“軟啟動(dòng)”功能：當(dāng)裝置啟動(dòng)，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(huì)是問(wèn)題，比如不同LED所產(chǎn)生的光的波長(zhǎng)，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(gè)PLD項(xiàng)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(gè)例子中。對(duì)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(hào)是通過(guò)一個(gè)小信號(hào)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(zhǎng)的轉(zhuǎn)移是由電纜來(lái)決定的。因此它的影響微乎其微。此外，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)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(hào)用來(lái)控制一個(gè)與LED相連的MOS場(chǎng)效應(yīng)管Si302ADS。場(chǎng)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(guò)LED，要么流過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管。這種方法的缺點(diǎn)在于增加了場(chǎng)效應(yīng)管的花費(fèi)和低效率：多達(dá)180mW的功率會(huì)浪費(fèi)在2Q的限流電阻上。它的優(yōu)點(diǎn)是高輸入頻率：在試驗(yàn)中，我們成功地給TPS62260輸入了高達(dá)50kl-1z的頻率。

四、實(shí)際電路

電路的核心(上圖和下圖)是一個(gè)MSP430F2131微控制器。它被編程為三相PWM發(fā)生器，同時(shí)讀取來(lái)自旋轉(zhuǎn)編碼器(R1)的值。這個(gè)編碼值用來(lái)作為索引查找表，控制每個(gè)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(hào)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(jué)暫留，這個(gè)頻率可以確保LED不會(huì)閃爍。
為切實(shí)執(zhí)行，我們選擇了小于5kHz的PWM控制方法，這是一個(gè)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(gè)獨(dú)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(hào)是由一個(gè)小信號(hào)二極管(D13、D23、D33)耦合的。當(dāng)PWM信號(hào)過(guò)高時(shí)，它會(huì)反轉(zhuǎn)相應(yīng)的開關(guān)穩(wěn)壓器的錯(cuò)誤信號(hào)輸入，這個(gè)穩(wěn)壓器有一個(gè)電壓為600rnV的閾值電壓。這就意味著過(guò)高的PWM信號(hào)會(huì)迫使發(fā)光二極管熄滅。隨后，當(dāng)PWM信號(hào)變低時(shí)，調(diào)節(jié)器再次開始運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)光二極管又會(huì)變亮。熱片同時(shí)也能幫助印制電路板散熱。
整個(gè)電路是由一可控的5V、1A的直流電源適配器供電的。一個(gè)使用電阻和齊納二極管的簡(jiǎn)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(gè)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(lái)試驗(yàn)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(yùn)行時(shí)，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(shí)也能幫助印制電路板散熱。