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世平集团力推TI LED Lighting解决方案

 2009-02-25

RGB LED 情境照明

高亮度 LED 灯在照明方面的运用范围愈来愈广。本文说明简单的「情境照明灯」,这种照明设备仅采用几种元件。三个 LED 灯均采用切换式稳压器来供应恒定电流,并以 MSP430 微控制器所产生三组 PWM 讯号来调控亮度。印刷电路板可装设于雾面玻璃台灯内,亦可用于间接照明的 LED 聚光灯。

不论 LED 灯的功率为何,现在通常都以恒定电流为电源,原因在于 LED 灯以流明 (lm) 为单位的光输出功率会与电流呈正比。

因此,所有 LED 制造商均指定灯光输出(有时称为光效率)、视角和波长等参数,作为顺向电流 IF 的函数,而非所谓顺向电压 VF 的函数。于是,我们也在电路中采用适合的恒定电流稳压器。


高亮度 LED 灯的恒定电流

市面上多数切换式稳压器均设计为恒定电压来源,而非恒定电流来源。只须以简单易懂的方式将电路略为修改,即可将恒定电压稳压器改为恒定电流的运作方式。我们并未采用常见的电压分配器来设定输出电压,而是以电流侦测电阻调节电压降幅。图 1 概略说明了这个电路。

 

图 1 切换式稳压器可设定为电压来源或电流来源。


调暗 LED 灯光

基本上有两种方式可调暗 LED 灯光。第一种方式最简单,就是运用模拟控制,直接控制流经 LED 灯的电流,减少电流即可降低亮度。可惜这种方式有两项重大缺点:首先,LED 灯的亮度与电流大小并非完全呈正比关系;其次,灯光的波长(即颜色)会随著电流变化而改变,以致于不符该 LED 灯的额定值;这两种现象都是业者极力要避免的问题。

较复杂的控制方式是采用恒定电流来源,这种电源已经过设定,可以为LED供应额定的运作电流。新增一个电路后,即可运用指定的标记间隔率(mark-space ratio)迅速开关 LED 灯,减少平均散发的亮光,因而呈现较低亮度。调整标记间隔率便可轻松调整 LED 灯的亮度,这种方式称为脉冲宽度调节(Pulse Width Modulation, PWM)。


运用 PWM 调暗灯光

本文以 TPS62260 为例,说明 PWM 控制的多种建置方式。TPS62260 是一款具整合式切换组件的同步步降转换器,以2.25MHz的一般性频率频率运作。在图 2 的电路中,我们以黑色标示出将 PWM 讯号直接连接到 EN(启用)接脚的可行方式。整个切换式稳压器的电路都是根据 PWM 讯号而开关。我们的实验结果显示,在这种设定中,可使用的 PWM 频率最高可达 100Hz。这种方法的优点在于简单:不需要使用其它元件,而在切换式稳压器停用时,泄露的静态电流也极低,因此这也是最节能的方式。但缺点是 LED 灯对于启用接脚的高层级回应会延迟,这是因为切换式稳压器具有「软启动」功能:装置启动时,输出电流会逐渐上升,直到达到额定 LED 电流为止。在某些应用中,这种上升现象可能会造成问题,因为在电流从最低值升至正常运作层级时,LED 灯的发光波长也随之变化。例如,在 DLP 投影机或 LCD 电视面板的 LED 背光中,便不容许出现前述变化,但在本次示范中,一般肉眼并不能察觉这个现象。

第二种方式(图 2 中以红色表示),是将 PWM 讯号透过小讯号二极管而与 TPS62260 的误差放大器输入结合。在这个电路中,施加于控制输入的600mV 以上正极电压会过度驱动误差放大器而将 LED 关闭。由于这个电路未采用启动输入,因此不受稳压器软启动功能的启动延迟所影响,LED 因而能迅速地开关。

在图 2 中第三种可行方式以蓝色标示。这种方法运用 PWM 讯号控制 LED 灯上的 MOSFET。MOSFET 可造成 LED 灯短路,使 LED 灯更迅速开关。稳压器是以恒定电流模式运作,该电流会经过 LED 灯或 MOSFET。这种方式的缺点包括增加了 MOSFET 的成本以及能源效率不佳:最多可能有 180mW 的电力消耗于 2Ω 电流侦测电阻中。其优点则是高切换频率:实验结果发现,TPS62260 以这种设定运作时,PWM 频率可高达 50kH。

 

图 2 运用调光器功能的三种方式

 


散热情况

运作温度是高功耗 LED 灯效能的重要参数,会明显影响使用寿命、顺向电压、输出波长,甚至是照明装置的亮度。LED 灯的运作温度愈高,预期使用寿命愈短,因此,我们用于实验的印刷电路板尺寸,必须可在背面以双面贴附式热传导材质来固定 SK477100 型散热片(由 Fischer Elektronik 制造),以便在 LED 灯以全功耗运作时,将温度从 61 °C(未使用散热片)降至 54 °C(使用散热片)。散热片也有助于将热能分散到印刷电路板的各部分。


光明的未来

这个印刷电路板可用来执作更多功能,例如,电路板上有个插槽可用于安装德州仪器的 Z430-RF2500 无线电模块。eZ430-RF2500 套件包含两个无线电模块,其中一个套件可安装旋转编码器(使用无线电模块中微控制器的测试接脚),以建立连接到 LED 灯电路板的无线电连结。