三種高亮度 LED 照明的驅(qū)動設(shè)計

高亮度 LED 在照明應(yīng)用中的使用越來越廣泛。我們在這里將介紹一種簡單的“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，同時亮度控制由能夠產(chǎn)生三種 PWM 信號的 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燈中，或者也可以和 LED 聚光燈一起使用來進行間接照明。無論其功耗有多大，現(xiàn)在的 LED 通常都使用一個恒定電流源來驅(qū)動。這是因為以流明 (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(有時稱為光學(xué)效率)、可視角度和波長等參數(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，我們在電路中使用了適當(dāng)?shù)暮愣娏髡{(diào)節(jié)器。用于高亮度 LED 的恒定電流市場上大多數(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)換為恒定電流運行必須要對電路進行 簡單、稍微的改動。我們使用了一個壓降被調(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 簡化圖。

圖 1 一個開關(guān)調(diào)節(jié)器既可以被配置為一個電壓源也可被配置為一個電流源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，這種方法存在兩個嚴(yán)重的缺點。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 額定值時發(fā)光的波長(以及由此帶來的顏色變化)可能會隨著電流變化而發(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，感覺就像是光的強度降低了。通過脈沖間隔比，我們可以較輕松地 對 LED 的感知亮度進行調(diào)節(jié)。這種方法被稱為脈寬調(diào)制(或 PWM)。

利用 PWM 進行調(diào)光作為一個示例，我們將會看到一些使用 TPS62260 實施 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 信號直接連接至 EN(使能)引腳的可能性。整個開 關(guān)調(diào)節(jié)器電路和 PWM 信號一起開啟和關(guān)閉。在我們實驗中的試驗表明，在這種配置中，我們可以使用一個高達 100Hz 的 PWM 頻 率。這種排列的優(yōu)點是其簡易性：不需要額外的組件。另外，它還是最為高效能的實施方法，因為該開關(guān)調(diào)節(jié)器在關(guān)閉時僅產(chǎn)生非 常少的靜態(tài)電流。其缺點是，LED 對使能引腳上高電平的反應(yīng)被延遲。這是因為開關(guān)調(diào)節(jié)器具有一種“軟啟動”功能：當(dāng)器件被開啟時 ，輸出電流逐漸上升，直到其達到額定的 LED 電流。在一些應(yīng)用中，這種上升斜坡可能會存在一些問題，因為 LED 發(fā)光的波長隨電 流從其最小值到正常工作電平的逐漸增強而變化。例如，在一個 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，就這個示范項目而言，肉眼無法看到這種影響。在第二個變量中(圖 2 中紅色所示部分)，PWM 信號通過一個小信號二極管被耦合至 TPS62260 的誤差放大器輸入端。在本電路 中，一個施加于控制輸入端的超過 600mV 的正電壓會使誤差放大器輸入驅(qū)動過度，并由此關(guān)閉 LED。由于這個電路沒有使用使能 輸入，因此它不具有與調(diào)節(jié)器軟啟動功能相關(guān)的啟動延遲，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變化在本結(jié)構(gòu)中小到可以被忽略不計。另外，我們在實驗室里發(fā)現(xiàn)，PWM 頻率可以上升 到 5kHz。圖 2 中藍色部分顯示了第三種可能性。這里的 PWM 信號被用于控制線連至 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)器運行在恒定電流模式中，而且電流將會流經(jīng) LED 或者 MOSFET。這種方法的一些缺點包括 MOSFET 帶來的額外成本以及低效能：在 2Ω 電流感應(yīng)電阻器中會有高達 180mW 的功率被不斷耗散掉。其優(yōu)點是較高的開關(guān)頻率： 在一些實驗中，我們看到 TPS62260 可以成功運行在 50kHz PWM 頻率的狀態(tài)下。

圖 2 實施調(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 由三個配置為恒定電流源的開關(guān)調(diào)節(jié)器和一個使用分立組件構(gòu)建的 3.3V 穩(wěn)定電源組成的電路部分實際電路

該電路的核心(請參見圖 3和圖 4)為一個 MSP430F2131 微控制器。對它進行編程，以使其起到一個三重 PWM 生成器的作用，并 從旋轉(zhuǎn)編碼器 (R1) 讀取數(shù)值。編碼器值用于對一個包含所有紅色、綠色和藍色 LED 脈沖間隔比值的查尋表編索引。然后，相應(yīng)的 PWM 信號就會出現(xiàn)在接近 122Hz 頻率時的輸出引腳 TA0、TA1 和 TA2 上。該信號的強度足以確保 LED 不會出現(xiàn)閃爍，因為眼睛將 單個光脈沖平滑成了一個平均可感知強度值。就實際實施而言，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較好的平衡值。 每一個 LED、紅色(D14)、綠色(D24)和藍色(D34)均由一個來自單個 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”級產(chǎn)品 TPS62290 可以獲得更強的電流(高達 1A)，其采用相同的方式進行 封裝。使用小信號二極管(D13、D23 和 D33)耦合 PWM 信號。當(dāng) PWM 信號較高時，其會超過相應(yīng)開關(guān)調(diào)節(jié)器的正常誤差信號輸入，其 具有一個 600 mV 的極限電壓電平。這就是說，PWM 信號的高電平會迫使 LED 熄滅。當(dāng) PWM 信號最終降低時，該調(diào)節(jié)器再次啟動 ，同時 LED 亮起。整個電路均由一個經(jīng)過調(diào)節(jié)的 5V 1 A DC 電源適配器供電。使用一個電阻和一個齊納二極管構(gòu)建的簡單穩(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，工作溫度是一個重要的參數(shù)，其會給工作壽命、正向電壓、輸出波長甚至是設(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?？紤]到這一因素，我們選擇的實驗印刷電路板尺寸，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。在滿功率下運行時，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 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，顏色表的長度就被定義了出來。這里需要注意的是， “LED_TabLength”的值實際上被設(shè)定為四倍表長度。然后，按照顏色表本身，為每一個單獨的 LED 使用一個單獨的陣列。指示器 “LEDptr”被用于從單個顏色表陣列中讀取所有三個輸出的相應(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狗定時器被關(guān)閉，可調(diào)系統(tǒng)時鐘的校準(zhǔn)值被加載，定時器 A 模塊得到配置，同 時多元輸入和輸出均被適當(dāng)?shù)爻跏蓟?。主環(huán)路由兩個“while”塊組成。