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難以置信!LED照明的智能控制“閃亮登場”

發(fā)布時間:2014-11-07 責(zé)任編輯:echolady

【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、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,實現(xiàn)了LED驅(qū)動、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)工程師熟知其簡單設(shè)計:他們所需要的只是一個電源和一個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)計人員可將LED連接到單片機上的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,簡單的LED設(shè)計卻會變得相當(dāng)復(fù)雜。此時,除了溫度變化和LED本身產(chǎn)生的極高溫度以外,設(shè)計人員還面臨控制電流的挑戰(zhàn)。

難以置信!LED照明的智能控制“閃亮登場”
圖1:光通量與正向電流成正比
 
溫度控制

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。

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圖2:正向電壓的變化對正向電流的影響
 
高功耗LED本身產(chǎn)生的大量熱量可導(dǎo)致LED壽命明顯降低并可能過早損壞。對于每個設(shè)計來說,有效控制LED的正向電流就需要根據(jù)目標(biāo)正向電流和預(yù)估正向電壓來確定散熱水平。使用溫度傳感器還可監(jiān)視可能的過熱情況。
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智能電流控制

高亮度LED需要保持相對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于實現(xiàn)一致的色彩和光輸出至關(guān)重要。采用簡單的電阻與LED串聯(lián)電路時,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,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,需要使用一個可有效調(diào)節(jié)正向電流的電源來驅(qū)動LED。

色彩控制

LED幾乎可以立即改變其光輸出這一事實,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LED的亮度。一種方法是簡單地增大或減小每個LED的正向電流。但該方法的問題是,改變正向電壓不僅會改變亮度,還會使LED的輸出光顏色略微改變,這對需要準(zhǔn)確色彩的應(yīng)用來說是個問題。

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圖3:產(chǎn)生正向電流脈沖以更改感知亮度
 
另一種方法是使用脈沖電流,它可提供相同的調(diào)光效果,而輸出光顏色不會有感知上的變化。如圖3所示,紅色虛線表示平均脈沖電流在產(chǎn)生亮度變化的同時卻保持流過LED的正向電流恒定,因此,不會改變感知色彩。

數(shù)字調(diào)光控制

使用數(shù)字信號控制器(DSC)極大地簡化了采用脈沖電流技術(shù)的調(diào)光過程。許多DSC上的高級PWM模塊可用來生成PWM信號,這些信號用來控制LED的功率級。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LED進行調(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,計數(shù)器將從零計數(shù)到255并在計數(shù)到128時觸發(fā)PWM 改寫。然后,PWM輸出關(guān)斷以消除LED電流。當(dāng)計數(shù)器達(dá)到其最大值255時,復(fù)位為0并重新使能PWM。當(dāng)需要對LED進行調(diào)光時重復(fù)該過程以產(chǎn)生脈沖電流,如圖4所示。通常使用400 Hz以上的頻率來確保調(diào)光頻率足夠快,這樣人眼才不會察覺到LED閃爍。

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圖4:調(diào)光的數(shù)字控制
 
數(shù)字通信

DSC具有足夠的處理能力,可在智能控制LED裝置的同時實現(xiàn)通信協(xié)議,而無需單獨的通信/控制器件。例如,DMX512照明控制協(xié)議使用標(biāo)準(zhǔn)單向通信,即通過一個主器件和多個從器件以每個數(shù)據(jù)包512字節(jié)的速率向各個照明裝置發(fā)送命令,且可單獨尋址每個器件或節(jié)點。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),而同時在后臺運行通信協(xié)議(如DMX512)。由于通信是由軟件實現(xiàn),因此不局限于單個協(xié)議,支持使用任何通信機制控制此裝置。
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數(shù)字LED驅(qū)動

除了調(diào)光控制,DSC還可提供一個有效電源來控制高亮度LED的正向電流。降壓和升壓開關(guān)電源(SMPS)拓?fù)渚捎糜跒長ED供電且均可受益于DSC智能。

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圖5:用于驅(qū)動LED或串聯(lián)LED的降壓拓?fù)?br />  
當(dāng)LED或串聯(lián)LED的正向電壓小于電源電壓時,使用降壓拓?fù)?。在該拓?fù)渲校鐖D5所示,PWM 控制開關(guān)(Q),而當(dāng)開關(guān)(Q)關(guān)閉時檢測電阻(Rsns)上的電壓對應(yīng)LED的正向電流。DSC的比較器用于比較電阻(Rsns)上的電壓與可配置的內(nèi)部參考電壓,該參考電壓與所需的LED正向電流成正比。當(dāng)檢測電壓大于內(nèi)部參考電壓時,該模擬比較器將禁止PWM的短路開關(guān)(Q),使得電感(L)通過二極管(D)和LED釋放其存儲的電流。下一個PWM周期開始時,開關(guān)(Q)關(guān)閉,并再次開始該過程。DSC的高級特性使該方法可有效調(diào)節(jié)流經(jīng)LED的正向電流,而不會造成任何CPU開銷。

當(dāng)LED或串聯(lián)LED的正向電壓大于電源電壓時,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)檢測電阻(Rsns)的正向電流。DSC上的ADC模塊采樣檢測電阻上的電壓,該電壓對應(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)和對應(yīng)所需電流的軟件參考值來調(diào)整開關(guān)(Q)的占空比。通過由軟件實現(xiàn)PI控制回路,DSC增強了各種控制回路方法的靈活性。同時,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支持其他特性。

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圖6:用于驅(qū)動LED的升壓拓?fù)?br />  
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