一種高亮度白光LED調(diào)光電路設(shè)計(jì)

 隨著能源危機(jī)的到來(lái)，高效的照明技術(shù)得到人們廣泛的關(guān)注。發(fā)光二極管LED（Light Emitting Ddiode）是利用半導(dǎo)體PN結(jié)或類似結(jié)構(gòu)把電能轉(zhuǎn)換成光能的器件，以其高效率、低功耗、低電壓驅(qū)動(dòng)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中得到普遍的應(yīng)用，如各類消費(fèi)電子產(chǎn)品——手機(jī)、PDA、液晶電視的背光光源等。高亮度LED是傳統(tǒng)白熾燈的一種理想替代方案，因?yàn)榍罢叩膲勖托识急群笳吒叩枚?，且不同于緊湊型熒光燈泡，這些LED能夠在低溫下工作。為提高LED照明電路的使用性能和適用范圍，本文將介紹一種具成本優(yōu)勢(shì)的高亮度白光LED（HBLED）調(diào)光方法。

　　對(duì)于HBLD而言，在高照度工作條件下導(dǎo)通電壓高達(dá)3～5 V，工作電流可達(dá)0.15～3 A。LED的發(fā)光亮度與流過(guò)LED正向電流的大小基本上成正比關(guān)系，所以LED應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一是提供與其特性相適應(yīng)的電源或驅(qū)動(dòng)電路。高亮度LED有兩種基本的調(diào)光方法。第一種是PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)光方法，即在大于200 Hz的某些頻率下以0％～100％的不同占空比來(lái)導(dǎo)通和關(guān)斷LED。導(dǎo)通期間LED滿電流工作，而關(guān)斷期間LED上沒(méi)有電流流過(guò)，可以保證色彩的一致性。第二種方法是控制流經(jīng)LED串的電流量，這可能導(dǎo)致LED串的電壓下降，并造成輕微的色差。不過(guò)如果觀察調(diào)光器打開(kāi)情況下工作的白熾燈，也會(huì)看到明顯的色彩變化。

　　高亮度白光二極管一般采用恒流電源驅(qū)動(dòng)。因?yàn)殡S著LED逐漸變熱，其電壓降將減小，而且若LED串由恒壓電源供電的話，電源往往會(huì)持續(xù)提供過(guò)多的電流，使輸出電壓增大，直到電源達(dá)到電流限值或LED失效。脈寬調(diào)制方式是用較高的頻率開(kāi)關(guān)LED，開(kāi)關(guān)頻率超出人一般能夠察覺(jué)的范圍，給人一種LED總亮的假象，現(xiàn)在普遍采用脈寬調(diào)制方式調(diào)節(jié)LED的亮度，在某些應(yīng)用中，調(diào)光比可達(dá)5 000：1，常用的LED驅(qū)動(dòng)有降壓型（Buck）、升壓型（Boost）、升降壓型（Buck～Boost）等3種。LM3402是一款由可控電流源衍生的降壓型穩(wěn)壓器，輸入電壓范圍涵蓋整個(gè)汽車應(yīng)用領(lǐng)域，內(nèi)置MOS管最多可以驅(qū)動(dòng)5顆LED，性價(jià)比高，且接受領(lǐng)域較廣、線路簡(jiǎn)潔實(shí)用，是眾多LED驅(qū)動(dòng)IC中間的佼佼者。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　1.1 總體結(jié)構(gòu)

　　由于單個(gè)HBLED的發(fā)光效率不能完全滿足亮度要求，因此，需要用多個(gè)LED組成陣列，1個(gè)LM3402對(duì)5個(gè)高亮度發(fā)光二極管組成的串（HBLE-Ds）進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng)，接受1個(gè)微處理器P89LPC932的PWM脈寬調(diào)節(jié)控制，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，流過(guò)每個(gè)HBLEDs的電流約為120～350 mA。

　　1.2 人機(jī)界面

　　操作面板上有3個(gè)按鈕（關(guān)閉、調(diào)亮和調(diào)暗按鈕）和4個(gè)普通發(fā)光二極管指示燈。按下關(guān)閉按鈕，將熄滅高亮度發(fā)光二極管串HBLEDs，再次按下此按鈕，則可以回到原亮度顯示狀態(tài)，掉電或重啟也可回到設(shè)定亮度狀態(tài)；調(diào)亮和調(diào)暗按鈕用于改變HBLEDs的亮度，對(duì)應(yīng)4個(gè)指示燈，其中每個(gè)指示燈有亮暗2級(jí)指示，這樣可以指示8擋亮度。

　　1.3 驅(qū)動(dòng)電路

　　驅(qū)動(dòng)電路是整個(gè)LED調(diào)光電路的核心，主要由1個(gè)微處理器P89LPC932和LM2402恒流穩(wěn)壓電路組成。LM3402是一款由可控電流源衍生的降壓型穩(wěn)壓器，可驅(qū)動(dòng)串聯(lián)的大功率、高亮度發(fā)光二極管串，可以接受范圍在*2V的輸入電壓。當(dāng)使用引腳兼容的LM3402HV時(shí)，輸入電壓的上限可達(dá)到75V。按照需要對(duì)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以維持通過(guò)LED陣列的恒定電流水平。只要HBLEDs的組合前饋電壓不超過(guò)Vo（MAX），則電路能保持任意數(shù)量的LED中的調(diào)節(jié)電流不變。圖1為L(zhǎng)M3402的典型應(yīng)用電路示意圖，其中RSNS為電流設(shè)定電阻，平均電流IF≈0.2／RSNS，RON取值與發(fā)光二極管串中的LED數(shù)量有關(guān)，5個(gè)以上LED時(shí)可取值300KΩ，經(jīng)檢測(cè)，恒流標(biāo)稱值為250mA時(shí)（RSNS=0.8 Ω），電流波動(dòng)在±10 mA以內(nèi)。

圖1 LM3402的典型應(yīng)用電路示意圖

　　DIM1的邏輯是直接的，因此當(dāng)DIM1端口為高電平時(shí)，LM3402會(huì)輸出穩(wěn)定的電流；當(dāng)DIM1處為低電平時(shí)，禁止任何電流輸出。所以對(duì)LM340 2的DIM1端口輸入PWM信號(hào)，可對(duì)LED陣列進(jìn)行調(diào)光，PWM信號(hào)的最大邏輯低電平應(yīng)為0.8 V，最小邏輯高電平為2.2 V。將DIM1端口懸浮或者接至邏輯高電平，一旦輸入達(dá)到6 V，LM3402就開(kāi)始運(yùn)作。

　　將OFF端口接地，從而將LM3402置于一個(gè)低功率關(guān)機(jī)狀態(tài)（典型值為90μA）。在正常工作期間，該端口應(yīng)始終保持在開(kāi)路狀態(tài)。

　　P89LPC932是由飛利浦生產(chǎn)的低功耗單片微處理器，電源電壓3.3 V，可低功耗運(yùn)行，適合于許多要求高集成度、低成本的場(chǎng)合?？梢詽M足多方面的性能要求。P89LPC932采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時(shí)間只需2～4個(gè)時(shí)鐘周期，6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件。P89LPC932集成了許多系統(tǒng)級(jí)的功能，這樣可大大減少元件的數(shù)目、電路板的面積以及系統(tǒng)的成本，其內(nèi)部有2個(gè)定時(shí)器，可作為一個(gè)具有256個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期的PWM發(fā)生器使用。LED調(diào)光電路電氣原理圖如圖2所示。

圖2 LED調(diào)光電路電氣原理圖

　　2 程序設(shè)計(jì)

　　2.1 程序結(jié)構(gòu)

　　控制器程序根據(jù)3個(gè)按鈕的輸入狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)或亮度調(diào)節(jié)，并將亮度狀態(tài)在4個(gè)指示燈上顯示出來(lái)。利用微處理器自身集成的EEPROM單元，可隨時(shí)保存亮度狀態(tài)n（PWM占空比）。主程序流程框圖如圖3所示。

圖3 主程序流程框圖

　　2.2 PWM發(fā)生

　　高亮度白光二極管串HBLEDs的電流主要通過(guò)對(duì)LM3402的DIM端口進(jìn)行PWM調(diào)節(jié)，實(shí)際電流占設(shè)定電流值的比例取決于PWM的占空比duty cycle。如果PWM信號(hào)的頻率正好落在200 Hz～20 kHz之間，白光LED驅(qū)動(dòng)器周圍的電感和輸出電容就會(huì)產(chǎn)生人耳聽(tīng)得見(jiàn)的噪聲，所以設(shè)計(jì)時(shí)要避免使用20 kHz以下低頻段。

　　微處理器P89LPC932內(nèi)部定時(shí)器TO／T1的PWM輸出與計(jì)數(shù)輸入和定時(shí)器觸發(fā)輸出占用相同的管腳，發(fā)生定時(shí)器溢出時(shí)自動(dòng)觸發(fā)端口輸出。此功能通過(guò)AUXR1寄存器中的控制位ENT0和ENT1分別使能定時(shí)器0和1。該模式打開(kāi)時(shí)，在首次定時(shí)器溢出前端口的輸出為邏輯1。為了使該模式生效，必須清零C／T位以選擇PCLK作為定時(shí)器的時(shí)鐘源。定時(shí)器初始化設(shè)置參考程序如下：

　　其中占空比duty cycle=256-TH1，定時(shí)器1的溢出將使P1.2或P0.7端口發(fā)生翻轉(zhuǎn)，因此輸出頻率為定時(shí)器1溢出速率的1／2。

　　2.3 節(jié)能模式

　　經(jīng)檢測(cè)，在同等照度要求的情況下，采用LED調(diào)光控制系統(tǒng)的功耗較白熾燈降低90％以上，當(dāng)然為進(jìn)一步降低能耗，節(jié)能方法的探究仍然具有十分重要的意義。在多數(shù)時(shí)間，HBLEDs可能處于熄滅狀態(tài)，若控制系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)或掉電狀態(tài)，可將功耗降低到最低；或?qū)FF端口接地，也可將LM3402置于一個(gè)極低的低功率關(guān)機(jī)狀態(tài)。將微處理器P89LPC932的電源控制寄存器PCONA設(shè)置為0xFF時(shí)，外部功能模塊掉電；將電源控制寄存器PCON設(shè)置為03H時(shí)，可將微處理器處于完全掉電狀態(tài)，只有在中斷觸發(fā)的時(shí)候，才能喚醒，隨即給外部功能模塊上電，微處理器開(kāi)始工作。微處理器主要通過(guò)鍵盤中斷喚醒，鍵盤中斷參考程序如下：

　　3 結(jié)論

　　本文介紹了一種基于恒流驅(qū)動(dòng)電路LM3402的LED調(diào)光控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由微處理器P89LPC932 PWM控制輸出電壓，用戶可通過(guò)按鈕設(shè)定亮度。由于采用了低功耗微處理器，并應(yīng)用多種節(jié)能方法，使得該調(diào)光系統(tǒng)的功耗極低，能夠適用于多數(shù)LED照明節(jié)能改造場(chǎng)合，正好符合低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求。隨著LED發(fā)光效率的不斷提高，封裝技術(shù)的改進(jìn)，使用壽命的不斷增加，以及生產(chǎn)成本的降低，再加上驅(qū)動(dòng)電路性能的改善，HBLED在照明市場(chǎng)上的推廣前景十分廣闊。目前該技術(shù)已投入批量生產(chǎn)，取得良好的社會(huì)效益。