基于賽普拉斯的EZ-Color控制器的高亮LED照明混色方案設(shè)計(jì)

引言

本文介紹了一種基于賽普拉斯的EZ-Color控制器不需要指定LED型號(hào)規(guī)格，而且能快速簡(jiǎn)單完成一個(gè)性能優(yōu)良的高亮LED照明混色設(shè)計(jì)方案。

　　隨著半導(dǎo)體照明行業(yè)日異更新的步伐，具有壽命長(zhǎng)，能耗低，應(yīng)用靈活，環(huán)保無害等眾多優(yōu)點(diǎn)的高亮LED正在孕育一場(chǎng)新的產(chǎn)業(yè)革命—照明革命，使我們的生活與工作環(huán)境魅力四射，絢麗多彩。不過，由于LED本身屬于半導(dǎo)體器件的特性，使得LED照明設(shè)計(jì)時(shí)需面臨兩大挑戰(zhàn)——同種顏色的LED具有多種型號(hào)規(guī)格以及LED的性能隨溫度而降低的特性。這就要求照明工程師在進(jìn)行LED照明混色設(shè)計(jì)時(shí)，必須做LED型號(hào)規(guī)格和溫度補(bǔ)償?shù)目紤]。LED型號(hào)規(guī)格和溫度補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)不但算法復(fù)雜，而且還要求照明工程師有比較專業(yè)的色彩學(xué)理論知識(shí)。這使得很多照明設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)采用指定型號(hào)規(guī)格的LED的方法來回避復(fù)雜的LED型號(hào)規(guī)格補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)。但是這會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來成本的增加，因?yàn)長(zhǎng)ED供應(yīng)商通常會(huì)多收10%的指定費(fèi)。為了幫助廣大的照明設(shè)計(jì)工程師解決LED混色設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn).

　　EZ-Color控制器

　　EZ-Color控制器是Cypress生產(chǎn)的專門針對(duì)高亮LED照明混色應(yīng)用的可編程片上系統(tǒng)芯片。它主要由8位微處理器，可編程模擬模塊和數(shù)字模塊，外加硬件乘法累加器，I2C，F(xiàn)lash, SRAM等周邊外圍模塊組成，如圖1所示。

圖1：EZ-Color控制器的功能框圖

         因此，EZ-Color控制器除了能實(shí)現(xiàn)一般LED混色系統(tǒng)的計(jì)算控制功能之外，還可通過可編程模擬和數(shù)字模塊根據(jù)混色系統(tǒng)的具體要求靈活地實(shí)現(xiàn)所需的模擬與數(shù)字外圍功能。例如，可以通過內(nèi)部集成了16個(gè)可編程數(shù)字模塊的EZ-Color控制器CY8CLED16實(shí)現(xiàn)多至16路LED控制通道的LED照明混色系統(tǒng)，也可以設(shè)計(jì)成32位分辨率的4路LED控制通道的照明混色系統(tǒng)。為了方便用戶簡(jiǎn)單而快速地實(shí)現(xiàn)高亮LED混色設(shè)計(jì)，Cypress基于EZ-Color控制器和無代碼設(shè)計(jì)軟件構(gòu)建了三色LED混色模塊。這個(gè)混色模塊將PSoC內(nèi)部寄存器的配置，可編程模塊的內(nèi)部連線，包含LED型號(hào)規(guī)格和溫度補(bǔ)償算法軟件都已設(shè)計(jì)好了。當(dāng)用戶需要設(shè)計(jì)照明混色系統(tǒng)，只需像windows操作一樣將三色LED混色驅(qū)動(dòng)選中后拖放到PSoC express的設(shè)計(jì)區(qū)里，所有的照明混色軟件都將自動(dòng)生成。

　　高亮LED照明混色方案的實(shí)現(xiàn)

　　基于PSoC express的混色方案實(shí)現(xiàn)機(jī)制

　　EZ-Color高亮LED照明混色設(shè)計(jì)是基于賽普拉斯的無代碼圖形化設(shè)計(jì)軟件—PSoC express實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)用戶要完成某個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單地操作即可，第一步是輸入，輸出驅(qū)動(dòng)的選擇;第二步是定義輸出與輸入的行為關(guān)系或傳遞函數(shù)關(guān)系。EZ-Color混色方案也不例外，也是由輸入，輸出驅(qū)動(dòng)和傳遞函數(shù)關(guān)系構(gòu)成，如圖2所示。

圖2：EZ-Color方案實(shí)現(xiàn)機(jī)制圖

從上面的實(shí)現(xiàn)機(jī)制圖可以看到，EZ-Color的LED混色方案是采用(x,y,Y)表示輸入，輸出是RGB三色LED，其中三色LED 的硬件驅(qū)動(dòng)采用了SSDM(隨機(jī)信號(hào)強(qiáng)度調(diào)制)用戶模塊。輸入的(x,y,Y)是按照CIE 1931色度圖的表征方法來表示EZ-Color的顏色輸入請(qǐng)求信息，即x,y代表色調(diào)和色飽和度，反映顏色的色度信息，而Y代表光通量，反映顏色的亮度信息。SSDM用戶模塊是賽普拉斯的PrISM(精確照信號(hào)強(qiáng)度調(diào)制)技術(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)。PrISM技術(shù)是賽普拉斯專有的LED亮度調(diào)節(jié)技術(shù)，它可有效地解決電磁干擾和低頻閃爍問題。

　　PrISM技術(shù)

　　傳統(tǒng)的LED亮度控制都是用脈沖寬度調(diào)制信號(hào)(PWM信號(hào))來實(shí)現(xiàn)的，通過改變占寬比來實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)的。這種亮度調(diào)節(jié)方法簡(jiǎn)單，但是由于PWM信號(hào)是高低電平固定變化的信號(hào)，因此它的諧波成份非常豐富，電磁干擾大。同時(shí)當(dāng)用低頻的PWM信號(hào)進(jìn)行亮度控制時(shí)，人眼會(huì)覺察到燈光在閃爍。

　　EZ-Color方案的亮度控制采用了Cypress的專有的PrISM技術(shù)。相比于PWM控制方法它可有效地解決電磁干擾與低頻閃爍問題。如圖3所示，PrISM技術(shù)通過將隨機(jī)計(jì)數(shù)器與用戶所要求的信號(hào)強(qiáng)度寄存器的值進(jìn)行比較，如果隨機(jī)計(jì)數(shù)器里的值小于信號(hào)強(qiáng)度值時(shí)，就輸出高電平信號(hào)，大的時(shí)候就輸出低電平，從而產(chǎn)生高低電平寬度隨機(jī)變化的精確照明脈沖信號(hào)。

圖3：PrISM技術(shù)實(shí)現(xiàn)框圖

高低電平寬度隨機(jī)變化的精確照明信號(hào)使得強(qiáng)度脈沖信號(hào)非周期性。脈沖信號(hào)的非周期性的直接好處是信號(hào)的頻譜連續(xù)而且幅度小，如圖4所示。同時(shí),PrISM高低電平信號(hào)是隨機(jī)變化的，因此不會(huì)出現(xiàn)低頻的PWM信號(hào)由于其高低電平信號(hào)緩慢變化所引起的人眼能覺察到的低頻閃爍問題。

圖4：PWM信號(hào)與PrISM信號(hào)的頻譜圖

        PSoC express設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)調(diào)試

　　PSoC express可幫助用戶簡(jiǎn)化并直觀地完成高亮LED混色應(yīng)用程序的開發(fā)和設(shè)計(jì)，在線調(diào)試功能。下面以賽普拉斯的EZ-Color開發(fā)板 RGB-3261A為例描述如何用PSoC express進(jìn)行混色設(shè)計(jì)和調(diào)試。

　　A. 打開PSoC express軟件，創(chuàng)建并命名一個(gè)新的工程項(xiàng)目。

　　B. 從“輸出驅(qū)動(dòng)器”列表中的High Brightness LED下面選擇Triple Luxeon K2顏色混合驅(qū)動(dòng)器，并將其拖到工作區(qū)中(見圖5)。在拖到工作區(qū)釋放后，PSoC express會(huì)彈出一個(gè)添加輸出驅(qū)動(dòng)器窗口。這個(gè)時(shí)候輸入驅(qū)動(dòng)器ColorMixer作為HBLED驅(qū)動(dòng)名稱后，點(diǎn)擊“ok”即可。

圖5：輸出驅(qū)動(dòng)器列表