一種高亮度白光LED調(diào)光電路設計

隨著能源危機的到來，高效的照明技術得到人們廣泛的關注。發(fā)光二極管LED（Light Emitting Ddiode）是利用半導體PN結或類似結構把電能轉(zhuǎn)換成光能的器件，以其高效率、低功耗、低電壓驅(qū)動、使用壽命長等優(yōu)點，已在眾多應用領域中得到普遍的應用，如各類消費電子產(chǎn)品——手機、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，因為前者的壽命和效率都比后者高得多，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)勢的高亮度白光LED（HBLED）調(diào)光方法。

對于HBLD而言，在高照度工作條件下導通電壓高達3～5 V，工作電流可達0.15～3 A。LED的發(fā)光亮度與流過LED正向電流的大小基本上成正比關系，所以LED應用的關鍵技術之一是提供與其特性相適應的電源或驅(qū)動電路。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％的不同占空比來導通和關斷LED。導通期間LED滿電流工作，而關斷期間LED上沒有電流流過，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，這可能導致LED串的電壓下降，并造成輕微的色差。不過如果觀察調(diào)光器打開情況下工作的白熾燈，也會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。因為隨著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，電源往往會持續(xù)提供過多的電流，使輸出電壓增大，直到電源達到電流限值或LED失效。脈寬調(diào)制方式是用較高的頻率開關LED，開關頻率超出人一般能夠察覺的范圍，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，在某些應用中，調(diào)光比可達5 000：1，常用的LED驅(qū)動有降壓型（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汽車應用領域，內(nèi)置MOS管最多可以驅(qū)動5顆LED，性價比高，且接受領域較廣、線路簡潔實用，是眾多LED驅(qū)動IC中間的佼佼者。

1 系統(tǒng)結構

1.1 總體結構

由于單個HBLED的發(fā)光效率不能完全滿足亮度要求，因此，需要用多個LED組成陣列，1個LM3402對5個高亮度發(fā)光二極管組成的串（HBLE-Ds）進行恒流驅(qū)動，接受1個微處理器P89LPC932的PWM脈寬調(diào)節(jié)控制，可實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，流過每個HBLEDs的電流約為120～350 mA。

1.2 人機界面

操作面板上有3個按鈕（關閉、調(diào)亮和調(diào)暗按鈕）和4個普通發(fā)光二極管指示燈。按下關閉按鈕，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定亮度狀態(tài)；調(diào)亮和調(diào)暗按鈕用于改變HBLEDs的亮度，對應4個指示燈，其中每個指示燈有亮暗2級指示，這樣可以指示8擋亮度。

1.3 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路是整個LED調(diào)光電路的核心，主要由1個微處理器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。當使用引腳兼容的LM3402HV時，輸入電壓的上限可達到75V。按照需要對轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進行調(diào)節(jié)，以維持通過LED陣列的恒定電流水平。只要HBLEDs的組合前饋電壓不超過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LM3402的典型應用電路示意圖，其中RSNS為電流設定電阻，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，5個以上LED時可取值300KΩ，經(jīng)檢測，恒流標稱值為250mA時（RSNS=0.8 Ω），電流波動在±10 mA以內(nèi)。

圖1 LM3402的典型應用電路示意圖

DIM1的邏輯是直接的，因此當DIM1端口為高電平時，LM3402會輸出穩(wěn)定的電流；當DIM1處為低電平時，禁止任何電流輸出。所以對LM340 2的DIM1端口輸入PWM信號，可對LED陣列進行調(diào)光，PWM信號的最大邏輯低電平應為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，一旦輸入達到6 V，LM3402就開始運作。

將OFF端口接地，從而將LM3402置于一個低功率關機狀態(tài)（典型值為90μA）。在正常工作期間，該端口應始終保持在開路狀態(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，可低功耗運行，適合于許多要求高集成度、低成本的場合?？梢詽M足多方面的性能要求。P89LPC932采用了高性能的處理器結構，指令執(zhí)行時間只需2～4個時鐘周期，6倍于標準80C51器件。P89LPC932集成了許多系統(tǒng)級的功能，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個定時器，可作為一個具有256個定時器時鐘周期的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 程序設計

2.1 程序結構

控制器程序根據(jù)3個按鈕的輸入狀態(tài)，實現(xiàn)開關或亮度調(diào)節(jié)，并將亮度狀態(tài)在4個指示燈上顯示出來。利用微處理器自身集成的EEPROM單元，可隨時保存亮度狀態(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的電流主要通過對LM3402的DIM端口進行PWM調(diào)節(jié)，實際電流占設定電流值的比例取決于PWM的占空比duty cycle。如果PWM信號的頻率正好落在200 Hz～20 kHz之間，白光LED驅(qū)動器周圍的電感和輸出電容就會產(chǎn)生人耳聽得見的噪聲，所以設計時要避免使用20 kHz以下低頻段。

微處理器P89LPC932內(nèi)部定時器TO／T1的PWM輸出與計數(shù)輸入和定時器觸發(fā)輸出占用相同的管腳，發(fā)生定時器溢出時自動觸發(fā)端口輸出。此功能通過AUXR1寄存器中的控制位ENT0和ENT1分別使能定時器0和1。該模式打開時，在首次定時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作為定時器的時鐘源。定時器初始化設置參考程序如下：

其中占空比duty cycle=256-TH1，定時器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器1溢出速率的1／2。

2.3 節(jié)能模式

經(jīng)檢測，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，當然為進一步降低能耗，節(jié)能方法的探究仍然具有十分重要的意義。在多數(shù)時間，HBLEDs可能處于熄滅狀態(tài)，若控制系統(tǒng)處于待機狀態(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置于一個極低的低功率關機狀態(tài)。將微處理器P89LPC932的電源控制寄存器PCONA設置為0xFF時，外部功能模塊掉電；將電源控制寄存器PCON設置為03H時，可將微處理器處于完全掉電狀態(tài)，只有在中斷觸發(fā)的時候，才能喚醒，隨即給外部功能模塊上電，微處理器開始工作。微處理器主要通過鍵盤中斷喚醒，鍵盤中斷參考程序如下：

3 結論

本文介紹了一種基于恒流驅(qū)動電路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，用戶可通過按鈕設定亮度。由于采用了低功耗微處理器，并應用多種節(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)能改造場合，正好符合低碳經(jīng)濟的發(fā)展需求。隨著LED發(fā)光效率的不斷提高，封裝技術的改進，使用壽命的不斷增加，以及生產(chǎn)成本的降低，再加上驅(qū)動電路性能的改善，HBLED在照明市場上的推廣前景十分廣闊。目前該技術已投入批量生產(chǎn)，取得良好的社會效益。