温馨照明RGB LED的驱动与调光控制技术及其应用

高亮度 LED 在照明应用中的使用越来越广泛。一种新型简单的“气氛照明灯”，其仅使用了少量的组件。所有这三 种 LED 均由使用开关调节器的恒定电流来供电，同时亮度控制由能够产生三种 PWM 信号的 MSP430 微控制器来完成。可以用磨砂玻璃外壳将印刷电路板安装到台灯中，或者也可以和 LED 聚光灯一起使用来进行间接照明。无论其功耗有多大，现在的RGB LED温馨照明的驱动技术通常都使用一个恒定电流源与专用恒流LED负载的反激式电源来驱动；而RGB LED温馨照明的调光技术应用了PWM进行调光和背光照明亮度控制等技术来实现。这是因为以流明 (lm) 为单位的光输出量和电流量成正比例关系。因此，所有的 LED 厂商都规定了诸如光输出（有时称为光学效率）、可视角度和波长等参数，作为正向电流 IF 的函数，而非像人 们所期望的那样作为正向电压 VF 的函数。所以，在电路中使用了可适用于温馨照明的RGB LED恒定电流调节器等驱动与调光技术。值此本文将对用于温馨照明RGB LED驱动与调光及基于MSP430 微控制器技术的应用作分析说明。
1 RGB LED温馨照明的驱动技术
1.1 用于高亮度LED的恒定电流
目前大多数开关调节器都被配置为恒定电压源，而非恒定电流源。将恒定电压调节器转换为恒定电流运行必须要对电路进行 简单、稍微的改动。我们使用了一个压降被调节了的电流感应电阻器，而非通常用于设定输出电压的分压器。图 1 显示了该电路的简化示意图，即一个开关调节器既可以被配置为一个电压源也可被配置为一个电流源。
1.2 专用恒流LED负载的反激式电源
图2所示为使用最新器件LinkSwitch-PH控制器设计的反激式电源架构，它是专用于恒流LED负载的反激式电源。LED驱动用恒流源有助于保证LED在发光的工作时间段光线亮度一致、不闪烁。
图2中LinkSwitch-PH控制器集成了多项专用于驱动LED的新功能。该电路与LED驱动器采用标准反激式拓扑结构不同，它采用了初级侧调整。这样可省去光耦器和次级侧控制电路。变压器上的次级侧绕组（偏置绕组）具有两种功能：通过BP引脚为LinkSwitch-PH供电，通过FB引脚提供电流反馈。这两个次级侧绕组紧密耦合，从而使偏置绕组上的电压与流经LED负载的电流成比例。控制器在FB引脚收到电流反馈后，会调整集成高压功率MOSFET的占空比，以维持电流调整率。该电路可在经整流非平滑的AC市电输入下工作，其控制器随着市电输入在每个半周期内的升降持续调整高压功率MOSFET的占空比，并对每个半周期内的平均电荷造行控制，使其维持输出电流调整率。由此可见由LinkSwitch-PH控制器构建的用于恒流LED负载的反激式电源既可以进行配置，使其提供恒流输出，又能实现可控硅相位角检测和功率（功率因素）的控制。
2 RGB LED温馨照明的调光技术
2.1 LED亮度调节
LED 亮度调节的方法主要有两种。第一种也是最为简单的一种方法便是利用模拟控制直接控制流经 LED 的电流：通过降低流经 LED 的电流带来降低其亮度。但这种方法存在两个严重的缺点。首先，LED 的亮度并非严格地和电流成正比例关系，其次，当电流的变化超过 LED 额定值时发光的波长（以及由此带来的颜色变化）可能会随着电流变化而发生变化。这两种现象通常是人们不希望看到的。稍微复杂一点的控制方法是使用能够提供 LED 额定工作电流的恒定电流源。这样，附加电路就可以利用给定脉冲间隔比快速地将 LED 开启和关闭，从而平均发出更少的光，感觉就像是光的强度降低了。通过脉冲间隔比，可以较轻松地对 LED 的感知亮度进行调节。这种方法被称为脉宽调制(PWM)。
2.2 利用PWM进行调光
在此使用 TPS62260 实施 PWM 控制方法（见图3所示）。TPS62260 是一款同步降压转换器，其具有集成的开关元件旳开关调节器电路，典型的时钟频率为 2.25MHz。在图3 的电路中，我们以黑色显示了将 PWM 信号直接连接至 EN引脚的可能性。
关于实施PWM调光方法的解析。整个开关调节器电路和 PWM 信号一起开启和关闭。实践表明，在这种配置中，我们可以使用一个高达 100Hz 的 PWM 频 率。这种排列的优点是其简易性，不需要额外的组件。它还是最为高效能的实施方法，因为该开关调节器在关闭时仅产生非常少的静态电流。其缺点是LED 对使能引脚上高电平的反应被延迟。这是因为开关调节器具有一种“软启动”功能，当器件被开启时，输出电流逐渐上升，直到其达到额定的 LED 电流。在应用中，这种上升斜坡可能会存在一些问题，因为 LED 发光的波长随电流从其最小值到正常工作电平的逐渐增强而变化。例如，在一个 DLP 投影仪或 LCD 电视面板的 LED 背光灯中，这种变化可能是人们难以接受的。但是，就应用而言，肉眼无法看到这种影响。
从图 3 中红色所示部分看出，其PWM 信号通过一个小信号二极管被耦合至 TPS62260 的误差放大器输入端。在本电路中，一个施加于控制输入端的超过 600mV 的正电压会使误差放大器输入驱动过度，并由此关闭 LED。由于这个电路没有使用势能输入，因此它不具有与调节器软启动功能相关的启动延迟，而且LED 被极为快速地开启和关闭。因此，上述电流斜坡所带来的输出波长变化在本结构中小到可以被忽略不计。另外，其PWM 频率可以上升到 5kHz。
而图 3 中蓝色部分显示了第三种可能性。这里的 PWM 信号被用于控制线连至 LED 的 MOSFET。MOSFET 使 LED 短路，并允许其被更加快速地开启和关闭。该调节器运行在恒定电流模式中，而且电流将会流经 LED 或者 MOSFET。这种方法的一些缺点包括 MOSFET 带来的额外成本以及低效能，在 2Ω 电流感应电阻器中会有高达180mW 的功率被不断耗散掉。其优点是较高的开关频率。从实践得知 TPS62260 可以成功运行在 50kHz PWM 频率的状态下。