基于模擬調光和數字調光的LED亮度控制

現在大街上隨處可見的LED顯示屏，還有裝飾用的LED彩燈以及LED車燈，處處可見LED燈的身影，LED已經融入到生活中的每一個角落。由于發(fā)光二級管技術的不斷發(fā)展，正逐步地應用于信號、顯示、照明和機器視覺辨認等各種領域。而常用的LED亮度控制方式主要是模擬調光和數字調光(PWM)。

比起現有的模擬調光，數字調光能取得一個更高的調光比和電流精度，應用更為廣泛。在普通照明中，PWM調光的開關頻率一般在幾百到幾千赫茲之間，可以有效的避免人眼可見的閃爍。但在機器視覺辨認和工業(yè)檢驗等領域，由于使用的高速攝像機和傳感器響應速度速度比人眼快很多，因此在這些領域使用PWM調光必須增加開關頻率到幾十千甚至更高，實現較為復雜，而模擬調光卻沒有這方面的問題。

本文通過可變降壓和線性調光的兩級電路實現了高效、準確、高動態(tài)范圍的模擬調光輸出，并使用TI的C2430 芯片來實現輸出亮度調節(jié)和無線控制的功能，特別適合用于上述的機器視覺辨認等高響應速率的應用場合。

高動態(tài)范圍模擬調光電路

常見的LED恒流電路有以下兩種： 線性恒流電路和開關恒流電路。線性恒流電路通過監(jiān)控采樣電阻上的電壓，動態(tài)地調節(jié)三極管的導通程度，控制電流，并將輸入電壓高于LED串電壓的部分承擔。而開關恒流電路則在其不同拓撲結構下，調節(jié)開關導通的占空比來調節(jié)輸出，同樣得到恒流的效果。相比而言，如果輸入電壓和燈串電壓差別較大時，在大電流下線性電路三極管的壓降會造成較大的功率損耗，導致較低的效率。

具體電路設計

現有的開關電源控制芯片也有提供模擬調光功能，但是調光比都很小，一般在幾十左右，是作為PWM調光的一個補充，這個調光比和前述機器視覺辨認的要求差距較大。針對上述情況，本文重新對線性恒流電路進行了改進，在這部分電路前增加了可變降壓電路，用于匹配輸入電壓和LED燈串電壓，提高效率;同時使用高精度的D/A來控制電流輸出，得到一個較高的模擬調光比。整個電路系統(tǒng)結構如圖3，在AC/DC電源的輸出總線上可以掛載多于一路的可調恒流電路，通過ZigBee模塊進行輸出電流控制，保證每一路輸出的電流準確，可調。

電路分析：可變降壓電路的輸入使用AC/DC電源提供的48V總線，這部分電路根據后接的LED顆數多少和輸出電流大小，動態(tài)調節(jié)輸出，使其輸出電壓和LED燈串電壓的差額保持較小的水平，從而減小大電流下三極管的損耗。這里使用LM5010降壓芯片來搭建可變降壓電路，LM5010是一個恒定導通時間的Buck控制芯片。R1和R2組成電壓反饋電路，將輸出電壓進行分壓后輸入至FB腳上。每當FB腳上電壓低于2.5V時，芯片內部的開關會固定的導通一段時間，導通時間與輸入電壓和Ron有關，之后開關會關斷265ns或直至FB腳上電壓下降到2.5V以下。

電路通過(R1+R2)/R2·VFB來設定最大輸出電壓。另一方面，為了降低在三極管的功率損耗，我們同時監(jiān)測采集三極管和采樣電阻的壓降和，并使用LM358進行正向放大后通過D2輸入到FB腳上。因此在三極管和采樣電阻上的壓降總和就不會大于Vdrop=(VFB+VD2)×R3/(R3+R4)。因此當LED燈串上的電壓小于LM5010的最大輸出電壓時，多余的電壓就會由三極管和采樣電阻承擔，當這個電壓經過放大后大于FB腳的閾值時，LM5010 延長開關關斷時間，使輸出電壓下降，因此最終的Vout=Vled+Vdrop。從而在LED顆數比設計值少或者在對LED進行調光時，前端輸出的電壓能夠更合理的匹配燈串電壓。圖4中三極管的基極旁邊的方塊便是電流控制電路。電流主要是通過AnalogDevice的AD5611來控制，這是一款10位的數模轉換芯片，使用基準電源的輸出直接供電，上位機CC2430可以使用SPI接口進行輸出電壓的編程。

芯片的輸出和采樣電阻上的電壓分別接到LM358的5和6腳，運放作為開環(huán)放大器來使用。放大器將兩個輸入的偏差進行放大來控制三極管導通程度，進而控制LED串的電流，并最終使開環(huán)輸入的兩個電壓相等，此時滿足下式：Rsen×ILED=VA/D·R6/(R5+R6)。電路中的R5和R6主要是將A/D轉換器的輸出電壓進行分壓，以便能使用更小的采樣電阻，提高效率?？紤]到D/A芯片的位數和整體的精度，本文中的線性電流控制電路能做到500∶1的輸出電流比。針對LED應用于機器視覺辨認等特殊場合，提出了一種基于ZibBee控制的高動態(tài)范圍LED模擬調光裝置，一種異于高頻PWM的調光方法。設計通過對原有線性電源的改進，增加了可變降壓電路，提高了其工作效率。

電路中同時使用了CC2430芯片實現電流控制和無線遙控的功能，配合著ZigBee無線網關便可實現遠程調光控制。以上就是LED技術的相關知識，相信隨著科學技術的發(fā)展，未來的LED燈回越來越高效，使用壽命也會由很大的提升，為我們帶來更大便利。