控制多個(gè)LED的功率及成本

在此提供了一個(gè)兼具功效及成本效益的方法以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的控制。

在傳統(tǒng)的方法中，針對(duì)每一LED均配備了專用的脈寬調(diào)制(PWM)控制器以控制至多個(gè)LED的輸出，并通過控制器將輸出電壓轉(zhuǎn)換為供給LED的電流。電壓控制脈寬調(diào)制控制器常用于此用途。電流感應(yīng)電阻與LED串聯(lián)配置，將電壓值反饋給控制器。因此，控制器實(shí)際上是工作于電壓模式，并保持恒定的取樣電壓值，從而保持恒定的電流。該典型電路配置如圖1所示。

圖1 典型的脈寬調(diào)制控制器，用以產(chǎn)生恒定的電流

圖1中，R1采樣流經(jīng)D1 的電流。其結(jié)果電壓將在脈寬調(diào)制控制器中與一個(gè)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，以確保開關(guān)在每一時(shí)鐘周期的確定百分比的時(shí)間內(nèi)閉合。在開關(guān)閉合期間，有足夠的能量被轉(zhuǎn)換至輸出，以產(chǎn)生所需的電流，該電流流經(jīng)R1。如果過多或過少的能量被轉(zhuǎn)換，R1兩端的電壓將增加或減少，從而改變開關(guān)閉合的時(shí)間。上述轉(zhuǎn)換的結(jié)果是閉環(huán)系統(tǒng)維持了R1兩端的電壓值，使其等于基準(zhǔn)電壓，并為二極管D1輸送了恒定的電流，其電流值為：

上述方法的難點(diǎn)在于當(dāng)應(yīng)用中存在若干個(gè)LED時(shí)，每一LED都需要獨(dú)有的控制器，且相應(yīng)的需要更高的成本及板載空間。同時(shí)，由于控制器設(shè)計(jì)用于輸出恒定的電流，因而典型的采用了較大的輸出電容值，從而限制了對(duì)控制命令的快速響應(yīng)程度。

一般的應(yīng)用采用了多個(gè)彩色LED來產(chǎn)生白色光。此時(shí)，將至少需要紅、綠及藍(lán)三種LED。但此類應(yīng)用通常包括了第4或第5個(gè)LED以試圖獲取特殊色調(diào)的白光。在典型的三色控制設(shè)定中，LED電流設(shè)定為特定的比例，50%至64%為綠光、25%至40%為紅光、5%至15%為藍(lán)光。該白光的合成(mimic)混合了一定頻譜比例的紅、綠及藍(lán)光。上述合成方法需要采用三個(gè)分立的脈寬調(diào)制控制器，相應(yīng)的增加了成本。每一控制器為單個(gè)LED供電，并通過改變其各自的脈寬調(diào)制責(zé)任周期完成對(duì)亮度的調(diào)節(jié)。

簡(jiǎn)化方法

該替換方法將產(chǎn)生一致的電流，并將LED串行連接配置。對(duì)于亮度的控制可通過與每一LED并聯(lián)的場(chǎng)效應(yīng)管(FET)開關(guān)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)FET開關(guān)打開，其共通的電流將分流繞過LED并使其關(guān)閉。其控制裝置(control mechanism)可用于調(diào)整LED，以控制每一時(shí)鐘周期內(nèi)確定百分比的導(dǎo)通及關(guān)閉。該方法如圖2所示，圖中串行的LED具有相同的電流，并通過各自獨(dú)立的并行FET開關(guān)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。采用該方法的另一實(shí)現(xiàn)方式如圖3的模塊化構(gòu)成所示。

圖2 采用脈寬調(diào)制電流并聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的控制

圖3 并聯(lián)方法的方框圖

在圖3的方法中，通過LED串底部的感應(yīng)電阻的控制，單個(gè)控制器可提供某一確定電流值。該系統(tǒng)由外部微控制器控制，以驅(qū)動(dòng)電平偏移驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)FET的控制。亮度的控制是通過調(diào)節(jié)每一FET的關(guān)閉時(shí)間百分比實(shí)現(xiàn)的，在FET關(guān)閉期間，電流將流經(jīng)其各自的LED。此方法最大的優(yōu)勢(shì)就在于可應(yīng)用廉價(jià)控制器的處理能力，以克服了某些LED的缺點(diǎn)。例如，藍(lán)色LED效率較低，通常需要更高電流的驅(qū)動(dòng)已達(dá)到亮度的平衡。通過適當(dāng)?shù)目s放FET的責(zé)任周期也可解決此問題，并產(chǎn)生同樣的亮度平衡。由于是電流密度控制了光的輻射輸出，輔助的亮度補(bǔ)償方法將改善亮度的不均衡現(xiàn)象，該方法并聯(lián)配置了兩個(gè)更大的LED二極管，同時(shí)使得單個(gè)特定LED色彩的固有亮度有所減弱。圖4所示電路即是為了驗(yàn)證此想法而構(gòu)建。

圖4 三LED控制電路示意圖

上圖電路中的控制器為TPS40200，與一對(duì)并聯(lián)的電流感應(yīng)電阻(R11及R5)協(xié)同運(yùn)作，以保持恒定的輸出電流流經(jīng)串聯(lián)的三個(gè)LED。此時(shí)，電路被設(shè)定為供給700mA的輸出電流。每一并聯(lián)FET（共三個(gè)）均由浮點(diǎn)型驅(qū)動(dòng)器(floating driver)實(shí)現(xiàn)控制，可通過標(biāo)準(zhǔn)邏輯驅(qū)動(dòng)，并從而可控制具有不同電壓值（參考地電平）的FET。

該電路的輸出電壓由LED的前向電壓及感應(yīng)電阻兩端的電壓所確定。此時(shí)，輸出電壓約為10.5伏特。

由于此為恒定電流系統(tǒng)，在脈寬調(diào)制的輸出端無需大的輸出能力。從而不僅節(jié)省了元件成本，同時(shí)還有助于系統(tǒng)更快的響應(yīng)輸出電壓的改變。此類改變的電壓上升源于FET開關(guān)的導(dǎo)通，而電壓下降的改變則源于LED下跌至某一更小的值（因FET的導(dǎo)通阻抗(RdsON)而導(dǎo)致）。 下方的圖5舉例說明了當(dāng)某通道導(dǎo)通或關(guān)閉時(shí)的快速響應(yīng)情況。如圖所示，當(dāng)脈寬調(diào)制控制器的控制環(huán)路無過沖或不穩(wěn)定時(shí)，轉(zhuǎn)換是平滑的。

圖5 邏輯輸入至LED輸出電壓的轉(zhuǎn)換

通過數(shù)字輸入控制LED串，用戶可使用微處理器輕松的實(shí)現(xiàn)燈光特效，包括了簡(jiǎn)單的亮度調(diào)節(jié)、色彩改變直至光的方向性控制。通過相應(yīng)的簡(jiǎn)單附加電路，用戶還可使用此方法實(shí)現(xiàn)對(duì)LED亮度（可能隨溫度及時(shí)間而變）的補(bǔ)償。其它例子特別展示了當(dāng)使用廉價(jià)的處理器及溫度感應(yīng)時(shí)，紅光LED的溫度漂移（在光通量[luminous flus]超過50 degrees C時(shí)約為40%）可通過比例的改變紅光LED的責(zé)任周期以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。此外，老化效應(yīng)還可通過單個(gè)光傳感器對(duì)單個(gè)LED的周期性采樣，并與早先存儲(chǔ)于EEPROM中的光通量值進(jìn)行比較的結(jié)果進(jìn)行處理。處理器可調(diào)節(jié)責(zé)任周期以恢復(fù)色彩平衡，并保持所需的色彩。此電路的方法提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的方式以通過處理器控制多個(gè)LED。通過此方法，針對(duì)LED老化及易變性的解決方案將以一種更為經(jīng)濟(jì)高效的方式實(shí)現(xiàn)。