基于HSI模型的全彩LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

摘要：為了改善LED模組的照明質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED模組色溫的調(diào)節(jié)，通過(guò)分析LED模組的驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)，提出一種基于HSI模型的全彩LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案。該驅(qū)動(dòng)電路利用三色比例調(diào)節(jié)達(dá)到所需要的顏色，并采用PID調(diào)節(jié)方式，以保證調(diào)節(jié)的穩(wěn)定。另外還可以調(diào)節(jié)輸出光的色溫和光強(qiáng)，達(dá)到了良好的照明效果。
關(guān)鍵詞：HSI模型；驅(qū)動(dòng)電路；全彩LED；PID調(diào)節(jié)

0 引言
    發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光，隨著LED的應(yīng)用越來(lái)越廣，對(duì)于其驅(qū)動(dòng)電路要求也越來(lái)越高?，F(xiàn)在大多數(shù)場(chǎng)合需要采用恒流輸出的開(kāi)關(guān)電源，對(duì)于全彩LED燈而言，采用傳統(tǒng)的RGB分別驅(qū)動(dòng)在面對(duì)既要調(diào)色溫又要調(diào)節(jié)亮度時(shí)候會(huì)有明顯的缺陷，基于這點(diǎn)，通過(guò)改良HSI模型，設(shè)計(jì)了這款適合與全彩LED的驅(qū)動(dòng)電路。傳統(tǒng)的RGB模型需要R，G，B分別調(diào)節(jié)，而HSI模型主要將亮度和色度分開(kāi)，通過(guò)H，S，I三個(gè)參數(shù)分別調(diào)節(jié)，H(色度)，S(飽和度)，I(亮度)。HIS模型下的驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)單片機(jī)控制總線驅(qū)動(dòng)電流來(lái)限定I參數(shù)(亮度)，通過(guò)R，G，B三端反饋調(diào)節(jié)R，G，B的綜合比例(H參數(shù))，經(jīng)由光線傳感器獲取光亮度的飽和程度S參數(shù)，達(dá)到驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)的目的。

1 總體設(shè)計(jì)
    圖1為HIS模型下全彩LED驅(qū)動(dòng)電路的總體設(shè)計(jì)。硬件部分采用恒流驅(qū)動(dòng)芯片PT4115，采用總一分的方式進(jìn)行RGB驅(qū)動(dòng)，通過(guò)采樣電路獲取R，G，B三路電流信號(hào)反饋，用來(lái)調(diào)節(jié)R，G，B的比例。軟件采用STC系列單片機(jī)作為主調(diào)節(jié)模塊，通過(guò)獲取A／D轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)三色顏色比例，采用PID調(diào)節(jié)方式，以保證調(diào)節(jié)的穩(wěn)定。

2 LED驅(qū)動(dòng)電路硬件設(shè)計(jì)
2．1 恒流驅(qū)動(dòng)原理
    如圖2所示，這里由兩只特性相同的管子VT0和VT1構(gòu)成，兩管的發(fā)射極分別接入電阻Re0和Re1。電阻R中的電流為基準(zhǔn)電流，其表達(dá)式為：
   
    所以集電極電流為：
   
    由于這里通過(guò)改變Ic1和Ir的關(guān)系，使工Ic1和Ir呈比例關(guān)系，從而克服鏡像恒流源電路的缺點(diǎn)。理論推導(dǎo)證明：
   
    可見(jiàn)，只要改變Re0和Re1的阻值，就可以改變Ic1和Ir的比例關(guān)系，其基準(zhǔn)電流Ir為：
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    通過(guò)Re0和Re1電流負(fù)反饋電阻，從而使恒流源的輸出電流Ic1具有更高的穩(wěn)定性。

2．2 PWM控制恒流源驅(qū)動(dòng)
    PWM調(diào)節(jié)是指通過(guò)一個(gè)周期內(nèi)脈寬占空比的形式來(lái)驅(qū)動(dòng)LED的方式，LED的平均驅(qū)動(dòng)電流取決于脈沖波形的占空比和LED額定驅(qū)動(dòng)電流，在驅(qū)動(dòng)電流固定時(shí)，通過(guò)改變PWM占空比可以調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流大小。為了避免閃爍，故PWM調(diào)節(jié)的頻率選擇在500 Hz左右。如圖3所示。

    這里采用LED驅(qū)動(dòng)芯片PT4115。PT4115是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源IC，能將直流電壓直接轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的恒流輸出。[!--empirenews.page--]
    圖4為在PWM調(diào)光模式下外加PWM脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸出驅(qū)動(dòng)電流的測(cè)量結(jié)果。PWM占空比從0～100％。從圖中可以清楚的看到，通過(guò)改變不同的PWM占空比可以調(diào)節(jié)額定電流，PT4115最大能夠輸出1．2 A的電流。

    輸出的額定電流由以下公式得到：
   
    式中：D為PWM的占空比。

3 HSI模型
3．1 HIS模型的轉(zhuǎn)換
    RGB模型面向電路，而HSI模型與人的顏色感知一一對(duì)應(yīng)，所以需要通過(guò)RGB模型完成到HSI模型的轉(zhuǎn)換：
   
    式中：H分量表示色調(diào)；S代表飽和度；I代表亮度。[!--empirenews.page--]
3. 2 基于HSI模型驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案
    主要通過(guò)HSI模型控制RGB模型，如圖5所示，通過(guò)I分量作為總線控制，再又驅(qū)動(dòng)電路設(shè)定顏色，并讓R，G，B三種分量經(jīng)過(guò)加法器之后進(jìn)行自穩(wěn)定，傳感器獲取光線亮度條件，并轉(zhuǎn)換為S分量用來(lái)處理。以下是具體的模塊實(shí)現(xiàn)：通過(guò)向HCS12單片機(jī)中設(shè)置環(huán)境亮度以及色溫，控制4線共陰的全彩LED，通過(guò)采樣電阻反饋RGB三種顏色驅(qū)動(dòng)電路中的電流信號(hào)，從而通過(guò)調(diào)節(jié)三色比例達(dá)到調(diào)節(jié)色溫的目的。再通過(guò)光亮度傳感器向單片機(jī)反饋數(shù)據(jù)，直接調(diào)節(jié)總線驅(qū)動(dòng)電路限定額定最大電流，從而控制全彩LED燈光的亮度。當(dāng)調(diào)節(jié)為白色燈光時(shí)，只需固定好三色比例為1：1：1，從而直接調(diào)節(jié)總線驅(qū)動(dòng)電路就可調(diào)節(jié)LED的光亮度。這里需要對(duì)每路驅(qū)動(dòng)電路分別使用PT4115作為驅(qū)動(dòng)電路。

4 軟件設(shè)計(jì)及仿真
    這里穩(wěn)定色溫采用離散PID調(diào)節(jié)的方式：
   
    首先進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，A／D轉(zhuǎn)換之后通過(guò)加法器獲取H分量，H分量代表色溫，通過(guò)PID調(diào)節(jié)穩(wěn)定色溫達(dá)到在調(diào)節(jié)LED亮度之后，顏色不變。通過(guò)調(diào)節(jié)P，I，D三個(gè)參數(shù)，讓光亮度的變化可以盡量地適應(yīng)人眼對(duì)于光的感受。PID調(diào)節(jié)與仿真見(jiàn)圖6。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文討論了LED恒流源PWM調(diào)節(jié)，介紹了PWM調(diào)節(jié)的電路，并提出了一種基于HSI模型的驅(qū)動(dòng)控制電路，通過(guò)HSI模型控制RGB模型，并且可以通過(guò)三色驅(qū)動(dòng)電路比例調(diào)節(jié)達(dá)到所需要的顏色。該電路可以克服調(diào)節(jié)亮度的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生色差，亮度不好調(diào)節(jié)的問(wèn)題，根據(jù)個(gè)人喜好調(diào)節(jié)LED燈具的光強(qiáng)和色溫，通過(guò)直接調(diào)節(jié)總線驅(qū)動(dòng)電路限定額定最大電流，從而控制全彩LED燈光的亮度，從而使此驅(qū)動(dòng)電路達(dá)到了良好的照明效果。