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設計前沿:高亮度LED照明的驅(qū)動電路設計

發(fā)布時間:2014-10-31 責任編輯:echolady

【導讀】現(xiàn)如今,高亮度LED照明已經(jīng)被廣泛應用。本文介紹的是一種氣氛照明燈,設計電路簡單,用到的電子元器件非常少。

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。可以用磨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、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?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)了的電流感應電阻器,而非通常用于設定輸出電壓的分壓器。

設計前沿:高亮度LED照明的驅(qū)動電路設計
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)
 
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。

設計前沿:高亮度LED照明的驅(qū)動電路設計
圖2 :實施調(diào)光功能的三種方法
 
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設計前沿:高亮度LED照明的驅(qū)動電路設計
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
 
設計前沿:高亮度LED照明的驅(qū)動電路設計
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 PWM 信號較高時,其會超過相應開關(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 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。

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