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世平集團力推TI LED Lighting解決方案

 2009-02-25

RGB LED 情境照明

高亮度 LED 燈在照明方面的運用範圍愈來愈廣。本文說明簡單的「情境照明燈」,這種照明設備僅採用幾種元件。三個 LED 燈均採用切換式穩壓器來供應恒定電流,並以 MSP430 微控制器所產生三組 PWM 訊號來調控亮度。印刷電路板可裝設於霧面玻璃臺燈內,亦可用於間接照明的 LED 聚光燈。

不論 LED 燈的功率為何,現在通常都以恒定電流為電源,原因在於 LED 燈以流明 (lm) 為單位的光輸出功率會與電流呈正比。

因此,所有 LED 製造商均指定燈光輸出(有時稱為光效率)、視角和波長等參數,作為順向電流 IF 的函數,而非所謂順向電壓 VF 的函數。於是,我們也在電路中採用適合的恒定電流穩壓器。


高亮度 LED 燈的恒定電流

市面上多數切換式穩壓器均設計為恒定電壓來源,而非恒定電流來源。只須以簡單易懂的方式將電路略為修改,即可將恒定電壓穩壓器改為恒定電流的運作方式。我們並未採用常見的電壓分配器來設定輸出電壓,而是以電流偵測電阻調節電壓降幅。圖 1 概略說明了這個電路。

 

圖 1 切換式穩壓器可設定為電壓來源或電流來源。


調暗 LED 燈光

基本上有兩種方式可調暗 LED 燈光。第一種方式最簡單,就是運用模擬控制,直接控制流經 LED 燈的電流,減少電流即可降低亮度。可惜這種方式有兩項重大缺點:首先,LED 燈的亮度與電流大小並非完全呈正比關係;其次,燈光的波長(即顏色)會隨著電流變化而改變,以致於不符該 LED 燈的額定值;這兩種現象都是業者極力要避免的問題。

較複雜的控制方式是採用恒定電流來源,這種電源已經過設定,可以為LED供應額定的運作電流。新增一個電路後,即可運用指定的標記間隔率(mark-space ratio)迅速開關 LED 燈,減少平均散發的亮光,因而呈現較低亮度。調整標記間隔率便可輕鬆調整 LED 燈的亮度,這種方式稱為脈衝寬度調節(Pulse Width Modulation, PWM)。


運用 PWM 調暗燈光

本文以 TPS62260 為例,說明 PWM 控制的多種建置方式。TPS62260 是一款具整合式切換組件的同步步降轉換器,以2.25MHz的一般性頻率頻率運作。在圖 2 的電路中,我們以黑色標示出將 PWM 訊號直接連接到 EN(啟用)接腳的可行方式。整個切換式穩壓器的電路都是根據 PWM 訊號而開關。我們的實驗結果顯示,在這種設定中,可使用的 PWM 頻率最高可達 100Hz。這種方法的優點在於簡單:不需要使用其他元件,而在切換式穩壓器停用時,洩露的靜態電流也極低,因此這也是最節能的方式。但缺點是 LED 燈對於啟用接腳的高層級回應會延遲,這是因為切換式穩壓器具有「軟啟動」功能:裝置啟動時,輸出電流會逐漸上升,直到達到額定 LED 電流為止。在某些應用中,這種上升現象可能會造成問題,因為在電流從最低值升至正常運作層級時,LED 燈的發光波長也隨之變化。例如,在 DLP 投影機或 LCD 電視面板的 LED 背光中,便不容許出現前述變化,但在本次示範中,一般肉眼並不能察覺這個現象。

第二種方式(圖 2 中以紅色表示),是將 PWM 訊號透過小訊號二極體而與 TPS62260 的誤差放大器輸入結合。在這個電路中,施加於控制輸入的600mV 以上正極電壓會過度驅動誤差放大器而將 LED 關閉。由於這個電路未採用啟動輸入,因此不受穩壓器軟啟動功能的啟動延遲所影響,LED 因而能迅速地開關。

在圖 2 中第三種可行方式以藍色標示。這種方法運用 PWM 訊號控制 LED 燈上的 MOSFET。MOSFET 可造成 LED 燈短路,使 LED 燈更迅速開關。穩壓器是以恒定電流模式運作,該電流會經過 LED 燈或 MOSFET。這種方式的缺點包括增加了 MOSFET 的成本以及能源效率不佳:最多可能有 180mW 的電力消耗於 2Ω 電流偵測電阻中。其優點則是高切換頻率:實驗結果發現,TPS62260 以這種設定運作時,PWM 頻率可高達 50kH。

 

圖 2 運用調光器功能的三種方式

 


散熱情況

運作溫度是高功耗 LED 燈效能的重要參數,會明顯影響使用壽命、順向電壓、輸出波長,甚至是照明裝置的亮度。LED 燈的運作溫度愈高,預期使用壽命愈短,因此,我們用於實驗的印刷電路板尺寸,必須可在背面以雙面貼附式熱傳導材質來固定 SK477100 型散熱片(由 Fischer Elektronik 製造),以便在 LED 燈以全功耗運作時,將溫度從 61 °C(未使用散熱片)降至 54 °C(使用散熱片)。散熱片也有助於將熱能分散到印刷電路板的各部分。


光明的未來

這個印刷電路板可用來執作更多功能,例如,電路板上有個插槽可用於安裝德州儀器的 Z430-RF2500 無線電模組。eZ430-RF2500 套件包含兩個無線電模組,其中一個套件可安裝旋轉編碼器(使用無線電模組中微控制器的測試接腳),以建立連接到 LED 燈電路板的無線電連結。