【導(dǎo)讀】現(xiàn)如今，高亮度LED照明已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。本文介紹的是一種氣氛照明燈，設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單，用到的電子元器件非常少。
所有這三種LED 均由使用開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的恒定電流來(lái)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(lái)完成。可以用磨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(lái)進(jìn)行間接照明。
無(wú)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(lái)驅(qū)動(dòng)。這是因?yàn)橐粤髅鳛閱挝坏墓廨敵隽亢碗娏髁砍烧壤P(guān)系。因此，所有的 LED 廠(chǎng)商都規(guī)定了諸如光輸出、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(kāi)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1：一個(gè)開(kāi)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)
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(kāi)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(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器電路和 PWM 信號(hào)一起開(kāi)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_(kāi)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_(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器具有一種“軟啟動(dòng)”功能：當(dāng)器件被開(kāi)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(wèn)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(wú)法接受的。但是，就這個(gè)示范項(xiàng)目而言，肉眼無(wú)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(guò)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(guò) 600mV 的正電壓會(huì)使誤差放大器輸入驅(qū)動(dòng)過(guò)度，并由此關(guān)閉 LED。由于這個(gè)電路沒(méi)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(kāi)啟和關(guān)閉。因此，上述電流斜坡所帶來(lái)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(xiàn)連至 LED 的 MOSFET。MOSFET 使 LED 短路，并允許其 被更加快速地開(kāi)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(lái)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(kāi)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(kāi)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(lái)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(guò)相應(yīng)開(kāi)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(shuō)，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(guò)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(lèi)型的 LED，在部件列表中列舉出了一些可供選擇的 LED。
相關(guān)閱讀：
串聯(lián)LED照明電路保護(hù)的優(yōu)化策略
工程師詳解：如何優(yōu)化串聯(lián)LED照明電路保護(hù)設(shè)計(jì)
如何平衡多串LED照明系統(tǒng)與四大線(xiàn)性穩(wěn)壓器？
