【導(dǎo)讀】隨著LED照明設(shè)備的發(fā)展，智能控制和色彩混合加入到LED照明裝置的行列。LED的高效、壽命長(zhǎng)、調(diào)光功能等特性使變色照明裝置變得更加高效節(jié)能。本文介紹了通過數(shù)字信號(hào)控制器將智能控制與通信融合到LED照明裝置的大膽構(gòu)想，實(shí)現(xiàn)了LED驅(qū)動(dòng)、色彩控制以及外界通信。
挑戰(zhàn)高亮度
低功耗指示燈LED在眾多產(chǎn)品中占據(jù)著重要位置且大多數(shù)工程師熟知其簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)：他們所需要的只是一個(gè)電源和一個(gè)具有合適阻值的串聯(lián)電阻，以保持LED的電流低于小于5 mA的典型值。設(shè)計(jì)人員可將LED連接到單片機(jī)上的GPIO引腳使之閃爍。然而，將高亮度、高電流LED（正向電流超過350 mA）串聯(lián)在一起，簡(jiǎn)單的LED設(shè)計(jì)卻會(huì)變得相當(dāng)復(fù)雜。此時(shí)，除了溫度變化和LED本身產(chǎn)生的極高溫度以外，設(shè)計(jì)人員還面臨控制電流的挑戰(zhàn)。
圖1：光通量與正向電流成正比
通常，LED的正向電壓（VF）隨著溫度的升高而增大，即使在正向電流恒定和穩(wěn)定的情況下也是如此。圖2顯示了未適當(dāng)調(diào)節(jié)的正向電流與LED的正向電壓保持一致變化的情形，并解釋了為何控制流經(jīng)LED的正向電流比控制正向電壓更重要。
圖2：正向電壓的變化對(duì)正向電流的影響
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智能電流控制
高亮度LED需要保持相對(duì)較高的恒定電流才能保持亮度和色彩。圖1顯示了LED的光通量與流經(jīng)LED的正向電流（IF）的比例關(guān)系。因此，保持正向電流恒定對(duì)于實(shí)現(xiàn)一致的色彩和光輸出至關(guān)重要。采用簡(jiǎn)單的電阻與LED串聯(lián)電路時(shí)，可通過以下公式確定正向電流：
(IF = (VSource-VF)/R)
當(dāng)電源電壓（VSource）變化時(shí)，正向電流將跟著變化，從而導(dǎo)致LED發(fā)出的光能量也發(fā)生變化。因此，需要使用一個(gè)可有效調(diào)節(jié)正向電流的電源來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。
色彩控制
LED幾乎可以立即改變其光輸出這一事實(shí)，使其成為了需要快速改變色彩的燈具的理想之選。通過使用一系列紅色、綠色和藍(lán)色LED便可產(chǎn)生任意一種顏色，而我們只需調(diào)整每個(gè)LED的亮度。一種方法是簡(jiǎn)單地增大或減小每個(gè)LED的正向電流。但該方法的問題是，改變正向電壓不僅會(huì)改變亮度，還會(huì)使LED的輸出光顏色略微改變，這對(duì)需要準(zhǔn)確色彩的應(yīng)用來(lái)說是個(gè)問題。
圖3：產(chǎn)生正向電流脈沖以更改感知亮度
數(shù)字調(diào)光控制
使用數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）極大地簡(jiǎn)化了采用脈沖電流技術(shù)的調(diào)光過程。許多DSC上的高級(jí)PWM模塊可用來(lái)生成PWM信號(hào)，這些信號(hào)用來(lái)控制LED的功率級(jí)。這些PWM模塊具有可快速、準(zhǔn)確關(guān)閉PWM 輸出的“改寫輸入”，支持控制流經(jīng)LED的電流，從而對(duì)LED進(jìn)行調(diào)光。調(diào)光量量化為介于零和表示最大亮度的值之間的數(shù)字。要將LED設(shè)置為50%亮度，計(jì)數(shù)器將從零計(jì)數(shù)到255并在計(jì)數(shù)到128時(shí)觸發(fā)PWM 改寫。然后，PWM輸出關(guān)斷以消除LED電流。當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到其最大值255時(shí)，復(fù)位為0并重新使能PWM。當(dāng)需要對(duì)LED進(jìn)行調(diào)光時(shí)重復(fù)該過程以產(chǎn)生脈沖電流，如圖4所示。通常使用400 Hz以上的頻率來(lái)確保調(diào)光頻率足夠快，這樣人眼才不會(huì)察覺到LED閃爍。
圖4：調(diào)光的數(shù)字控制
DSC具有足夠的處理能力，可在智能控制LED裝置的同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議，而無(wú)需單獨(dú)的通信/控制器件。例如，DMX512照明控制協(xié)議使用標(biāo)準(zhǔn)單向通信，即通過一個(gè)主器件和多個(gè)從器件以每個(gè)數(shù)據(jù)包512字節(jié)的速率向各個(gè)照明裝置發(fā)送命令，且可單獨(dú)尋址每個(gè)器件或節(jié)點(diǎn)。高速處理支持DSP將執(zhí)行快速控制回路（如用于升壓轉(zhuǎn)換器的PI控制器）作為首要任務(wù)，而同時(shí)在后臺(tái)運(yùn)行通信協(xié)議（如DMX512）。由于通信是由軟件實(shí)現(xiàn)，因此不局限于單個(gè)協(xié)議，支持使用任何通信機(jī)制控制此裝置。
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數(shù)字LED驅(qū)動(dòng)
除了調(diào)光控制，DSC還可提供一個(gè)有效電源來(lái)控制高亮度LED的正向電流。降壓和升壓開關(guān)電源（SMPS）拓?fù)渚捎糜跒長(zhǎng)ED供電且均可受益于DSC智能。
圖5：用于驅(qū)動(dòng)LED或串聯(lián)LED的降壓拓?fù)?br />
當(dāng)LED或串聯(lián)LED的正向電壓大于電源電壓時(shí)，使用升壓拓?fù)?，如圖6所示。和降壓拓?fù)湟粯?，PWM 控制開關(guān)（Q），監(jiān)視流經(jīng)檢測(cè)電阻（Rsns）的正向電流。DSC上的ADC模塊采樣檢測(cè)電阻上的電壓，該電壓對(duì)應(yīng)LED的正向電流。DSC 上由軟件執(zhí)行的比例積分（PI）控制回路使用該值，根據(jù)ADC 讀數(shù)和對(duì)應(yīng)所需電流的軟件參考值來(lái)調(diào)整開關(guān)（Q）的占空比。通過由軟件實(shí)現(xiàn)PI控制回路，DSC增強(qiáng)了各種控制回路方法的靈活性。同時(shí)，降低PI控制回路的CPU開銷也意味著DSC可控制多串LED并仍有足夠的能力來(lái)支持其他特性。
圖6：用于驅(qū)動(dòng)LED的升壓拓?fù)?br />
全面解析線性高壓LED驅(qū)動(dòng)方案及發(fā)展趨勢(shì)
選型必備：LED驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)的選擇
高能效，簡(jiǎn)潔外圍電路的LED驅(qū)動(dòng)電源方案
