現(xiàn)代化的城市流光溢彩。社區(qū)沐浴在鈉離子街燈的橙色光芒下。汽車頭尾燈交相輝映，將公路化作一條光河，整個市區(qū)籠罩在摩天大樓精妙的色調(diào)中。頂級的音樂會使用燈光來變換舞臺。建筑物采用多彩燈光增添吸引力，甚至水池也利用變色燈光來營造氣氛。
電子發(fā)光設(shè)備無處不在，能夠投射任意顏色的燈飾也越來越普遍。LED引領(lǐng)著變色燈飾向更高效、更易于獲取及成本更低的方向發(fā)展。借助LED，設(shè)計人員找到了效率、混色調(diào)光功能以及長使用壽命的獨特組合。采用數(shù)字信號控制器(DSC)可對LED進行數(shù)字控制，這使得燈飾兼有智能和與外界通信的能力。設(shè)計人員可以利用這些功能自由發(fā)揮，在LED燈飾中實現(xiàn)各種創(chuàng)新和令人興奮的功能。
大多數(shù)工程師非常熟悉典型的低功耗LED指示燈，無論是表面貼裝還是經(jīng)典的直插式封裝。使用這些LED指示燈只需一個電壓源和一個阻值適當(dāng)?shù)拇?lián)電阻，以使LED的電流符合規(guī)范——通常小于5 mA。將LED與單片機的GPIO引腳連接，便可實現(xiàn)最常見的應(yīng)用之一——閃爍的LED。但是，如果將10個正向電流超過350 mA的高亮度、高電流LED串聯(lián)在一起，所有這些簡單性便蕩然無存了。
圖1：光通量與正向電流成比例關(guān)系
高亮度LED的首要問題是，如何有效維持高恒定電流，以保持其亮度和顏色。如圖1所示，LED的光通量(LED發(fā)出的光量的有效量度)與通過LED的正向電流相關(guān)。這表明，要實現(xiàn)一致的顏色和光輸出，需要使通過LED的正向電流(IF)保持恒定。如果考慮單純將一個電阻與LED串聯(lián)的情況，正向電流可通過如下公式確定：IF = (VSource-VF)/R。當(dāng)源電壓(VSource)變化時，正向電流(IF)也將波動，進而導(dǎo)致LED發(fā)出的光量發(fā)生變化。這清楚地表明，用來驅(qū)動LED的電源需要能有效調(diào)節(jié)LED的正向電流。通常，LED和二極管的一個特性是，正向電壓(VF)會隨著溫度的升高而增大——即使正向電流恒定且經(jīng)過調(diào)節(jié)也是如此。如圖2所示，如果當(dāng)LED的正向電壓發(fā)生變化時，倘若不對正向電流進行適當(dāng)調(diào)節(jié)，則正向電流也將增大。這再次說明了需要適當(dāng)調(diào)節(jié)通過LED 的正向電流，而不是正向電壓。
圖2：正向電壓的變化對正向電流的影響
另一個主要挑戰(zhàn)是發(fā)熱。高功耗LED會發(fā)熱——非常熱。過熱會大幅縮短LED的使用壽命，還可能導(dǎo)致LED過早出現(xiàn)故障。通過有效控制LED的正向電流，設(shè)計人員能夠根據(jù)目標(biāo)正向電流和估計的正向電壓確定散熱需求。還可以使用溫度傳感器來監(jiān)視可能的過熱情況。除了上述問題，高亮度LED還有其他必須解決的問題。不過，憑借DSC的智能，這些問題可通過基于軟件的控制來解決。
LED具有幾乎瞬間更改光輸出的驚人能力。這使得LED非常適合彩色燈飾應(yīng)用，因為顏色可以快速變化。只需串聯(lián)紅色、綠色和藍色的LED或LED串，通過調(diào)整每個LED的亮度便可實現(xiàn)彩虹的任意顏色。此時，每個LED的調(diào)光成為了設(shè)計挑戰(zhàn)。由于LED的正向電流決定了亮度，顯而易見的方法是簡單地增大或減小每個LED的正向電流。但這會產(chǎn)生一個問題，當(dāng)LED的正向電流變化時，其顏色也會略微變化。這在必須保持顏色準(zhǔn)確的應(yīng)用中是不理想的。因此，我們不直接降低或增大LED的正向電流，而是使正向電流呈脈沖變化，這樣所得到的調(diào)光效果與降低正向電流的效果相同。如圖3所示，這種方法的效果很明顯。紅色虛線表示平均電流，會產(chǎn)生可察覺到的亮度變化。但是，通過LED的正向電流保持恒定，因此顏色可保持不變。
圖3：脈沖式正向電流會產(chǎn)生可覺察的亮度變化
使用數(shù)字控制可大大簡化脈沖電流調(diào)光。許多DSC具有高級PWM模塊，可生成PWM信號來控制LED的功率級。這些PWM模塊的改寫輸入可快速準(zhǔn)確地關(guān)斷PWM輸出，從而控制LED的電流并實現(xiàn)調(diào)光。使用介于零與某個值(表示最大亮度)之間的數(shù)字對調(diào)光量進行量化。要將LED設(shè)置為50%亮度，計數(shù)器將從零開始向255計數(shù)，當(dāng)計數(shù)值達到128時，將有一個信號觸發(fā)PWM改寫。PWM輸出隨后將關(guān)斷，從而有效截斷LED中的電流。當(dāng)計數(shù)器達到最大值 255時，會復(fù)位為0，同時PWM再次使能。該過程會再次啟動，產(chǎn)生對LED調(diào)光所需的脈沖電流，如圖4所示。調(diào)光頻率必須足夠快，才能使人眼無法察覺到 LED的閃爍。通常，高于400 Hz的頻率可實現(xiàn)這一效果。
圖4：使用計數(shù)器實現(xiàn)數(shù)控調(diào)光
如前文所述，必須有效控制高亮度LED的正向電流，因此需要使用有效的電源來為LED供電。降壓和升壓開關(guān)電源(SMPS)拓撲是兩種常用于LED供電的電源拓撲。這兩種拓撲均可以有效控制LED的電流，而且均能受益于DSC的智能。[!--empirenews.page--]
圖5：配置為驅(qū)動LED或LED串的降壓拓撲
降壓拓撲非常適合LED或LED串的正向電壓小于電源電壓的情況。圖5給出了用于控制LED的典型降壓拓撲。如圖所示，PWM控制開關(guān)(Q)，當(dāng)開關(guān)(Q)導(dǎo)通時，檢測電阻(Rsns)兩端的電壓對應(yīng)于LED的正向電流。該電阻(Rsns)兩端的電壓將饋入DSC的比較器，該比較器隨后將此電壓與可配置的內(nèi)部參考電壓進行比較，此內(nèi)部參考電壓與所需的LED正向電流成比例關(guān)系。如果檢測到的電壓大于內(nèi)部參考電壓，模擬比較器將關(guān)斷PWM的開關(guān)(Q)，這會使電感(L)通過流經(jīng)二極管(D)和LED的電流來釋放其存儲的電能。當(dāng)下一個PWM周期開始時，開關(guān)(Q)導(dǎo)通，然后再次開始此過程。借助DSC的高級功能，此方法能有效調(diào)節(jié)通過LED的正向電流，同時不產(chǎn)生任何CPU開銷。
圖6：配置為驅(qū)動LED或LED串的升壓拓撲
顧名思義，升壓拓撲非常適合LED或LED串的正向電壓大于電源電壓的情況。圖6給出了用于控制LED的典型升壓拓撲。與降壓拓撲一樣，PWM控制開關(guān)(Q)，并且通過檢測電阻(Rsns)監(jiān)視流經(jīng)的正向電流。DSC上的ADC模塊對檢測電阻兩端的電壓進行采樣，該電壓對應(yīng)于LED的正向電流。該值隨后饋入在DSC的軟件中執(zhí)行的比例積分(PI)控制環(huán)。根據(jù)ADC讀數(shù)以及與所需電流對應(yīng)的軟件參考值，PI環(huán)相應(yīng)調(diào)整開關(guān)(Q)的工作周期。此處使用 DSC的優(yōu)勢是PI控制環(huán)在軟件中實現(xiàn)，因此可以使用各種其他控制環(huán)方法。此外，PI控制環(huán)使用的CPU開銷極少，這樣DSC可控制多個LED串，并仍有余量來實現(xiàn)其他功能。
說到其他功能，使用DSC來控制燈飾的最令人興奮的原因之一是能夠為系統(tǒng)增加通信功能。DSC具有足夠的處理能力來智能地控制LED燈飾，同時實現(xiàn)用于與外界通信的通信協(xié)議。這樣便不需要單獨的通信和控制設(shè)備。DMX512是一種常見的照明控制協(xié)議。該標(biāo)準(zhǔn)使用單向通信，支持一個主設(shè)備和多個從設(shè)備，用于向各個燈飾發(fā)送命令。DMX512每個數(shù)據(jù)包發(fā)送512字節(jié)的數(shù)據(jù)，并且允許單獨尋址各個設(shè)備或節(jié)點。DSC的高速處理能力使其能以最高優(yōu)先級執(zhí)行快速控制環(huán)(如用于升壓轉(zhuǎn)換器的PI控制器)，同時在后臺運行通信協(xié)議(如DMX512)。由于通信在軟件中實現(xiàn)，因此燈飾不限于僅一種協(xié)議——相反，它可以實現(xiàn)設(shè)計人員所需的任何通信方案。
與任何新技術(shù)一樣，數(shù)字LED控制也需要一個學(xué)習(xí)過程。為了簡化數(shù)字控制的學(xué)習(xí)，許多芯片供應(yīng)商現(xiàn)已提供數(shù)控LED照明工具包和參考設(shè)計。其中有許多設(shè)計提供免費的源代碼和硬件文檔。由于LED拓撲種類繁多，其中一些甚至還提供可互換的功率級。例如，Microchip的LED照明開發(fā)工具包(部件編號DM330014)的子板上含有LED驅(qū)動器級，允許使用同一塊電路板試驗多個驅(qū)動器級。此外，還有許多開發(fā)工具和應(yīng)用筆記可用，從而簡化數(shù)字LED控制的學(xué)習(xí)。
LED的高效率和即時調(diào)光屬性使其非常適合于顏色混合應(yīng)用，因此其普及程度在不斷提高。設(shè)計人員需要為燈飾增加更多功能，使其在市場上更具競爭力。智能控制和通信會是未來燈飾設(shè)計的兩個關(guān)鍵功能。采用DSC的數(shù)字控制可將設(shè)計人員及其燈飾引領(lǐng)到一個新的層次。
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