營造溫馨照明的MSP430―RGB LED氣氛燈光照明

高亮度 LED 在照明應(yīng)用中的使用越來越廣泛。我們?cè)谶@里將介紹一種簡(jiǎn)單的“氣氛照明燈”，其僅使用了少量的組件。所有這三 種 LED 均由使用開關(guān)調(diào)節(jié)器的恒定電流來供電，同時(shí)亮度控制由能夠產(chǎn)生三種 PWM 信號(hào)的 MSP430 微控制器來完成。可以用磨 砂玻璃外殼將印刷電路板安裝到臺(tái)燈中，或者也可以和 LED 聚光燈一起使用來進(jìn)行間接照明。無論其功耗有多大，現(xiàn)在的 LED 通常都使用一個(gè)恒定電流源來驅(qū)動(dòng)。這是因?yàn)橐粤髅?(lm) 為單位的光輸出量和電流量成正比例 關(guān)系。因此，所有的 LED 廠商都規(guī)定了諸如光輸出(有時(shí)稱為光學(xué)效率)、可視角度和波長(zhǎng)等參數(shù)，作為正向電流 IF 的函數(shù)，而非像人 們所期望的那樣作為正向電壓 VF 的函數(shù)。所以，我們?cè)陔娐分惺褂昧诉m當(dāng)?shù)暮愣娏髡{(diào)節(jié)器。用于高亮度 LED 的恒定電流

市場(chǎng)上大多數(shù)開關(guān)調(diào)節(jié)器都被配置為恒定電壓源，而非恒定電流源。將恒定電壓調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)換為恒定電流運(yùn)行必須要對(duì)電路進(jìn)行 簡(jiǎn)單、稍微的改動(dòng)。我們使用了一個(gè)壓降被調(diào)節(jié)了的電流感應(yīng)電阻器，而非通常用于設(shè)定輸出電壓的分壓器。圖 1 顯示了該電路的 簡(jiǎn)化圖。

圖 1 一個(gè)開關(guān)調(diào)節(jié)器既可以被配置為一個(gè)電壓源也可被配置為一個(gè)電流源LED 亮度調(diào)節(jié)

LED 亮度調(diào)節(jié)的方法主要有兩種。第一種也是最為簡(jiǎn)單的一種方法便是利用模擬控制直接控制流經(jīng) LED 的電流：通過降低流經(jīng) LED 的電流帶來降低其亮度。然而不幸的是，這種方法存在兩個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)。首先，LED 的亮度并非嚴(yán)格地和電流成正比例關(guān)系， 其次，當(dāng)電流的變化超過 LED 額定值時(shí)發(fā)光的波長(zhǎng)(以及由此帶來的顏色變化)可能會(huì)隨著電流變化而發(fā)生變化。這兩種現(xiàn)象通常 是我們不希望看到的。稍微復(fù)雜一點(diǎn)的控制方法是使用能夠提供 LED 額定工作電流的恒定電流源。這樣，附加電路就可以利用給定脈沖間隔比 (mark -space ratio) 快速地將 LED 開啟和關(guān)閉，從而平均發(fā)出更少的光，感覺就像是光的強(qiáng)度降低了。通過脈沖間隔比，我們可以較輕松地 對(duì) LED 的感知亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種方法被稱為脈寬調(diào)制(或 PWM)。利用 PWM 進(jìn)行調(diào)光

作為一個(gè)示例，我們將會(huì)看到一些使用 TPS62260 實(shí)施 PWM 控制的方法。TPS62260 是一款同步降壓轉(zhuǎn)換器，其具有集成的開關(guān) 元件，典型的時(shí)鐘頻率為 2.25MHz。在圖 2 的電路中，我們以黑色顯示了將 PWM 信號(hào)直接連接至 EN(使能)引腳的可能性。整個(gè)開 關(guān)調(diào)節(jié)器電路和 PWM 信號(hào)一起開啟和關(guān)閉。在我們實(shí)驗(yàn)中的試驗(yàn)表明，在這種配置中，我們可以使用一個(gè)高達(dá) 100Hz 的 PWM 頻 率。這種排列的優(yōu)點(diǎn)是其簡(jiǎn)易性：不需要額外的組件。另外，它還是最為高效能的實(shí)施方法，因?yàn)樵撻_關(guān)調(diào)節(jié)器在關(guān)閉時(shí)僅產(chǎn)生非 常少的靜態(tài)電流。其缺點(diǎn)是，LED 對(duì)使能引腳上高電平的反應(yīng)被延遲。這是因?yàn)殚_關(guān)調(diào)節(jié)器具有一種“軟啟動(dòng)”功能：當(dāng)器件被開啟時(shí) ，輸出電流逐漸上升，直到其達(dá)到額定的 LED 電流。在一些應(yīng)用中，這種上升斜坡可能會(huì)存在一些問題，因?yàn)?LED 發(fā)光的波長(zhǎng)隨電 流從其最小值到正常工作電平的逐漸增強(qiáng)而變化。例如，在一個(gè) DLP 投影儀或 LCD 電視面板的 LED 背光燈中，這種變化可能是我 們無法接受的。但是，就這個(gè)示范項(xiàng)目而言，肉眼無法看到這種影響。在第二個(gè)變量中(圖 2 中紅色所示部分)，PWM 信號(hào)通過一個(gè)小信號(hào)二極管被耦合至 TPS62260 的誤差放大器輸入端。在本電路 中，一個(gè)施加于控制輸入端的超過 600mV 的正電壓會(huì)使誤差放大器輸入驅(qū)動(dòng)過度，并由此關(guān)閉 LED。由于這個(gè)電路沒有使用使能 輸入，因此它不具有與調(diào)節(jié)器軟啟動(dòng)功能相關(guān)的啟動(dòng)延遲，且 LED 被極為快速地開啟和關(guān)閉。因此，上述電流斜坡所帶來的輸出波長(zhǎng)變化在本結(jié)構(gòu)中小到可以被忽略不計(jì)。另外，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)，PWM 頻率可以上升 到 5kHz。圖 2 中藍(lán)色部分顯示了第三種可能性。這里的 PWM 信號(hào)被用于控制線連至 LED 的 MOSFET。MOSFET 使 LED 短路，并允許其 被更加快速地開啟和關(guān)閉。該調(diào)節(jié)器運(yùn)行在恒定電流模式中，而且電流將會(huì)流經(jīng) LED 或者 MOSFET。這種方法的一些缺點(diǎn)包括 MOSFET 帶來的額外成本以及低效能：在 2Ω 電流感應(yīng)電阻器中會(huì)有高達(dá) 180mW 的功率被不斷耗散掉。其優(yōu)點(diǎn)是較高的開關(guān)頻率： 在一些實(shí)驗(yàn)中，我們看到 TPS62260 可以成功運(yùn)行在 50kHz PWM 頻率的狀態(tài)下。

圖 2 實(shí)施調(diào)光功能的三種方法

圖 3 使用 JTAG 連接 (JP1)、eZ430 連接器 (JP2) 和旋轉(zhuǎn)編碼器 (R1) 基于 MSP430 微控制器的這種電路的控制部分