数字控制LED 点亮生活新色彩

现代化的城市流光溢彩。社区沐浴在钠离子街灯的橙色光芒下。汽车头尾灯交相辉映，将公路化作一条光河，整个市区笼罩在摩天大楼精妙的色调中。顶级的音乐会使用灯光来变换舞台。建筑物采用多彩灯光增添吸引力，甚至水池也利用变色灯光来营造气氛。

电子发光设备无处不在，能够投射任意颜色的灯饰也越来越普遍。LED引领着变色灯饰向更高效、更易于获取及成本更低的方向发展。借助LED，设计人员找到了效率、混色调光功能以及长使用寿命的独特组合。采用数字信号控制器(DSC)可对LED进行数字控制，这使得灯饰兼有智能和与外界通信的能力。设计人员可以利用这些功能自由发挥，在LED灯饰中实现各种创新和令人兴奋的功能。

大多数工程师非常熟悉典型的低功耗LED指示灯，无论是表面贴装还是经典的直插式封装。使用这些LED指示灯只需一个电压源和一个阻值适当的串联电阻，以使LED的电流符合规范——通常小于5 mA。将LED与单片机的GPIO引脚连接，便可实现最常见的应用之一——闪烁的LED。但是，如果将10个正向电流超过350 mA的高亮度、高电流LED串联在一起，所有这些简单性便荡然无存了。

图1：光通量与正向电流成比例关系

高亮度LED的首要问题是，如何有效维持高恒定电流，以保持其亮度和颜色。如图1所示，LED的光通量(LED发出的光量的有效量度)与通过LED的正向电流相关。这表明，要实现一致的颜色和光输出，需要使通过LED的正向电流(IF)保持恒定。如果考虑单纯将一个电阻与LED串联的情况，正向电流可通过如下公式确定：IF = (VSource-VF)/R。当源电压(VSource)变化时，正向电流(IF)也将波动，进而导致LED发出的光量发生变化。这清楚地表明，用来驱动LED的电源需要能有效调节LED的正向电流。通常，LED和二极管的一个特性是，正向电压(VF)会随着温度的升高而增大——即使正向电流恒定且经过调节也是如此。如图2所示，如果当LED的正向电压发生变化时，倘若不对正向电流进行适当调节，则正向电流也将增大。这再次说明了需要适当调节通过LED 的正向电流，而不是正向电压。

图2：正向电压的变化对正向电流的影响

另一个主要挑战是发热。高功耗LED会发热——非常热。过热会大幅缩短LED的使用寿命，还可能导致LED过早出现故障。通过有效控制LED的正向电流，设计人员能够根据目标正向电流和估计的正向电压确定散热需求。还可以使用温度传感器来监视可能的过热情况。除了上述问题，高亮度LED还有其他必须解决的问题。不过，凭借DSC的智能，这些问题可通过基于软件的控制来解决。

LED具有几乎瞬间更改光输出的惊人能力。这使得LED非常适合彩色灯饰应用，因为颜色可以快速变化。只需串联红色、绿色和蓝色的LED或LED串，通过调整每个LED的亮度便可实现彩虹的任意颜色。此时，每个LED的调光成为了设计挑战。由于LED的正向电流决定了亮度，显而易见的方法是简单地增大或减小每个LED的正向电流。但这会产生一个问题，当LED的正向电流变化时，其颜色也会略微变化。这在必须保持颜色准确的应用中是不理想的。因此，我们不直接降低或增大LED的正向电流，而是使正向电流呈脉冲变化，这样所得到的调光效果与降低正向电流的效果相同。如图3所示，这种方法的效果很明显。红色虚线表示平均电流，会产生可察觉到的亮度变化。但是，通过LED的正向电流保持恒定，因此颜色可保持不变。

图3：脉冲式正向电流会产生可觉察的亮度变化

使用数字控制可大大简化脉冲电流调光。许多DSC具有高级PWM模块，可生成PWM信号来控制LED的功率级。这些PWM模块的改写输入可快速准确地关断PWM输出，从而控制LED的电流并实现调光。使用介于零与某个值(表示最大亮度)之间的数字对调光量进行量化。要将LED设置为50%亮度，计数器将从零开始向255计数，当计数值达到128时，将有一个信号触发PWM改写。PWM输出随后将关断，从而有效截断LED中的电流。当计数器达到最大值 255时，会复位为0，同时PWM再次使能。该过程会再次启动，产生对LED调光所需的脉冲电流，如图4所示。调光频率必须足够快，才能使人眼无法察觉到 LED的闪烁。通常，高于400 Hz的频率可实现这一效果。

图4：使用计数器实现数控调光

如前文所述，必须有效控制高亮度LED的正向电流，因此需要使用有效的电源来为LED供电。降压和升压开关电源(SMPS)拓扑是两种常用于LED供电的电源拓扑。这两种拓扑均可以有效控制LED的电流，而且均能受益于DSC的智能。[!--empirenews.page--]

图5：配置为驱动LED或LED串的降压拓扑

降压拓扑非常适合LED或LED串的正向电压小于电源电压的情况。图5给出了用于控制LED的典型降压拓扑。如图所示，PWM控制开关(Q)，当开关(Q)导通时，检测电阻(Rsns)两端的电压对应于LED的正向电流。该电阻(Rsns)两端的电压将馈入DSC的比较器，该比较器随后将此电压与可配置的内部参考电压进行比较，此内部参考电压与所需的LED正向电流成比例关系。如果检测到的电压大于内部参考电压，模拟比较器将关断PWM的开关(Q)，这会使电感(L)通过流经二极管(D)和LED的电流来释放其存储的电能。当下一个PWM周期开始时，开关(Q)导通，然后再次开始此过程。借助DSC的高级功能，此方法能有效调节通过LED的正向电流，同时不产生任何CPU开销。

图6：配置为驱动LED或LED串的升压拓扑

顾名思义，升压拓扑非常适合LED或LED串的正向电压大于电源电压的情况。图6给出了用于控制LED的典型升压拓扑。与降压拓扑一样，PWM控制开关(Q)，并且通过检测电阻(Rsns)监视流经的正向电流。DSC上的ADC模块对检测电阻两端的电压进行采样，该电压对应于LED的正向电流。该值随后馈入在DSC的软件中执行的比例积分(PI)控制环。根据ADC读数以及与所需电流对应的软件参考值，PI环相应调整开关(Q)的工作周期。此处使用 DSC的优势是PI控制环在软件中实现，因此可以使用各种其他控制环方法。此外，PI控制环使用的CPU开销极少，这样DSC可控制多个LED串，并仍有余量来实现其他功能。

说到其他功能，使用DSC来控制灯饰的最令人兴奋的原因之一是能够为系统增加通信功能。DSC具有足够的处理能力来智能地控制LED灯饰，同时实现用于与外界通信的通信协议。这样便不需要单独的通信和控制设备。DMX512是一种常见的照明控制协议。该标准使用单向通信，支持一个主设备和多个从设备，用于向各个灯饰发送命令。DMX512每个数据包发送512字节的数据，并且允许单独寻址各个设备或节点。DSC的高速处理能力使其能以最高优先级执行快速控制环(如用于升压转换器的PI控制器)，同时在后台运行通信协议(如DMX512)。由于通信在软件中实现，因此灯饰不限于仅一种协议——相反，它可以实现设计人员所需的任何通信方案。

与任何新技术一样，数字LED控制也需要一个学习过程。为了简化数字控制的学习，许多芯片供应商现已提供数控LED照明工具包和参考设计。其中有许多设计提供免费的源代码和硬件文档。由于LED拓扑种类繁多，其中一些甚至还提供可互换的功率级。例如，Microchip的LED照明开发工具包(部件编号DM330014)的子板上含有LED驱动器级，允许使用同一块电路板试验多个驱动器级。此外，还有许多开发工具和应用笔记可用，从而简化数字LED控制的学习。

LED的高效率和即时调光属性使其非常适合于颜色混合应用，因此其普及程度在不断提高。设计人员需要为灯饰增加更多功能，使其在市场上更具竞争力。智能控制和通信会是未来灯饰设计的两个关键功能。采用DSC的数字控制可将设计人员及其灯饰引领到一个新的层次。