數(shù)字信號控制器將智能控制和通信融合到LED照明中

　　LED照明正在改變?nèi)藗兪褂谜彰鞯姆绞剑^而開啟設(shè)計人員將智能控制和色彩混合融合到LED照明裝置的新機遇。DSC可推動眾多應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新：從汽車頭燈和尾燈到最先進的燈光秀，后者可將一個公共建筑變?yōu)橐患囆g(shù)品。

　　LED的高能效、調(diào)光功能和壽命長的獨特結(jié)合使變色照明裝置更加高效、成本更低且更易實現(xiàn)。再結(jié)合數(shù)字信號控制器(DSC)即可實現(xiàn)高效的LED驅(qū)動和準確的色彩控制以及與外界的通信。所有這些特性為設(shè)計人員開發(fā)頗具特色的下一代LED照明裝置提供了較大的空間。

　　亮度越高，越復雜

　　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)計卻會變得相當復雜。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)。

　　圖1:光通量與正向電流成正比

　　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)

　　當電源電壓(VSource)變化時，正向電流將跟著變化，從而導致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.

　　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。

　　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。

　　準確的色彩控制

　　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，這對需要準確色彩的應(yīng)用來說是個問題。

　　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。

　　圖3:產(chǎn)生正向電流脈沖以更改感知亮度

　　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。當計數(shù)器達到其最大值255時，復位為0并重新使能PWM.當需要對LED進行調(diào)光時重復該過程以產(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。[!--empirenews.page--]

　　圖4:調(diào)光的數(shù)字控制

　　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)拓撲均可用于為LED供電且均可受益于DSC智能。

　　圖5:用于驅(qū)動LED或串聯(lián)LED的降壓拓撲

　　當LED或串聯(lián)LED的正向電壓小于電源電壓時，使用降壓拓撲。在該拓撲中，如圖5所示，PWM 控制開關(guān)(Q)，而當開關(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LED或串聯(lián)LED的正向電壓大于電源電壓時，使用升壓拓撲，如圖6所示。和降壓拓撲一樣，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。

　　圖6:用于驅(qū)動LED的升壓拓撲

　　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)議使用標準單向通信，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。

　　降低學習難度

　　和任何新技術(shù)一樣，學習數(shù)字LED控制對于設(shè)計人員來說并非易事?？梢酝ㄟ^使用數(shù)字控制LED照明工具包、參考設(shè)計和應(yīng)用筆記來簡化。這些通常包括免費的源代碼和硬件文檔，還會提供可更換的功率級來支持不同電源拓撲。例如，Microchip的DM330014 LED照明開發(fā)工具包具有 LED驅(qū)動子卡，該子卡支持設(shè)計人員在同一電路板上進行多個驅(qū)動級實驗。

　　LED的高能效和即時調(diào)光功能確保該技術(shù)將繼續(xù)推動色彩混合和其他照明應(yīng)用方面的創(chuàng)新。設(shè)計人員將DSC提供的智能控制和通信融合到LED照明裝置中，增強了其特性和功能，可在照明應(yīng)用領(lǐng)域中展現(xiàn)其獨到之處和難以置信的驚艷之處。