RGB LED 情境照明

高亮度 LED 燈在照明方面的運(yùn)用范圍愈來愈廣。本文說明簡單的「情境照明燈」，這種照明設(shè)備僅采用幾種組件。三個(gè) LED 燈均采用切換式穩(wěn)壓器來供應(yīng)恒定電流，并以 MSP430 微控制器所產(chǎn)生三組 PWM 訊號(hào)來調(diào)控亮度。印刷電路板可裝設(shè)于霧面玻璃臺(tái)燈內(nèi)，亦可用于間接照明的 LED 聚光燈。

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

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

高亮度 LED 燈的恒定電流

市面上多數(shù)切換式穩(wěn)壓器均設(shè)計(jì)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(wěn)壓器改為恒定電流的運(yùn)作方式。我們并未采用常見的電壓分配器來設(shè)定輸出電壓，而是以電流偵測電阻調(diào)節(jié)電壓降幅。圖 1 概略說明了這個(gè)電路。

圖 1 切換式穩(wěn)壓器可設(shè)定為電壓來源或電流來源。

調(diào)暗 LED 燈光

基本上有兩種方式可調(diào)暗 LED 燈光。第一種方式最簡單，就是運(yùn)用模擬控制，直接控制流經(jīng) LED 燈的電流，減少電流即可降低亮度?？上н@種方式有兩項(xiàng)重大缺點(diǎn)：首先，LED 燈的亮度與電流大小并非完全呈正比關(guān)系；其次，燈光的波長（即顏色）會(huì)隨著電流變化而改變，以致于不符該 LED 燈的額定值；這兩種現(xiàn)象都是業(yè)者極力要避免的問題。

較復(fù)雜的控制方式是采用恒定電流來源，這種電源已經(jīng)過設(shè)定，可以為LED供應(yīng)額定的運(yùn)作電流。新增一個(gè)電路后，即可運(yùn)用指定的標(biāo)記間隔率（mark- space ratio）迅速開關(guān) LED 燈，減少平均散發(fā)的亮光，因而呈現(xiàn)較低亮度。調(diào)整標(biāo)記間隔率便可輕松調(diào)整 LED 燈的亮度，這種方式稱為脈沖寬度調(diào)節(jié)（Pulse Width Modulation, PWM）。

運(yùn)用 PWM 調(diào)暗燈光

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(zhuǎn)換器，以2.25MHz的一般性頻率頻率運(yùn)作。在圖 2 的電路中，我們以黑色標(biāo)示出將 PWM 訊號(hào)直接連接到 EN（啟用）接腳的可行方式。整個(gè)切換式穩(wěn)壓器的電路都是根據(jù) PWM 訊號(hào)而開關(guān)。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在這種設(shè)定中，可使用的 PWM 頻率最高可達(dá) 100Hz。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于簡單：不需要使用其它組件，而在切換式穩(wěn)壓器停用時(shí)，泄露的靜態(tài)電流也極低，因此這也是最節(jié)能的方式。但缺點(diǎn)是 LED 燈對(duì)于啟用接腳的高層級(jí)響應(yīng)會(huì)延遲，這是因?yàn)榍袚Q式穩(wěn)壓器具有「軟啟動(dòng)」功能：裝置啟動(dòng)時(shí)，輸出電流會(huì)逐漸上升，直到達(dá)到額定 LED 電流為止。在某些應(yīng)用中，這種上升現(xiàn)象可能會(huì)造成問題，因?yàn)樵陔娏鲝淖畹椭瞪琳＿\(yùn)作層級(jí)時(shí)，LED 燈的發(fā)光波長也隨之變化。例如，在 DLP 投影機(jī)或 LCD 電視面板的 LED 背光中，便不容許出現(xiàn)前述變化，但在本次示范中，一般肉眼并不能察覺這個(gè)現(xiàn)象。

第二種方式（圖 2 中以紅色表示），是將 PWM 訊號(hào)透過小訊號(hào)二極管而與 TPS62260 的誤差放大器輸入結(jié)合。在這個(gè)電路中，施加于控制輸入的600mV 以上正極電壓會(huì)過度驅(qū)動(dòng)誤差放大器而將 LED 關(guān)閉。由于這個(gè)電路未采用啟動(dòng)輸入，因此不受穩(wěn)壓器軟啟動(dòng)功能的啟動(dòng)延遲所影響，LED 因而能迅速地開關(guān)。

在圖 2 中第三種可行方式以藍(lán)色標(biāo)示。這種方法運(yùn)用 PWM 訊號(hào)控制 LED 燈上的 MOSFET。MOSFET 可造成 LED 燈短路，使 LED 燈更迅速開關(guān)。穩(wěn)壓器是以恒定電流模式運(yùn)作，該電流會(huì)經(jīng)過 LED 燈或 MOSFET。這種方式的缺點(diǎn)包括增加了 MOSFET 的成本以及能源效率不佳：最多可能有 180mW 的電力消耗于 2Ω 電流偵測電阻中。其優(yōu)點(diǎn)則是高切換頻率：實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，TPS62260 以這種設(shè)定運(yùn)作時(shí)，PWM 頻率可高達(dá) 50kH。

圖 2 運(yùn)用調(diào)光器功能的三種方式

散熱情況

運(yùn)作溫度是高功耗 LED 燈效能的重要參數(shù)，會(huì)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(yùn)作溫度愈高，預(yù)期使用壽命愈短，因此，我們用于實(shí)驗(yàn)的印刷電路板尺寸，必須可在背面以雙面貼附式熱傳導(dǎo)材質(zhì)來固定 SK477100 型散熱片（由 Fischer Elektronik 制造），以便在 LED 燈以全功耗運(yùn)作時(shí)，將溫度從 61 °C（未使用散熱片）降至 54 °C（使用散熱片）。散熱片也有助于將熱能分散到印刷電路板的各部分。

光明的未來

這個(gè)印刷電路板可用來執(zhí)作更多功能，例如，電路板上有個(gè)插槽可用于安裝德州儀器的 Z430-RF2500 無線電模塊。eZ430-RF2500 套件包含兩個(gè)無線電模塊，其中一個(gè)套件可安裝旋轉(zhuǎn)編碼器（使用無線電模塊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(jié)。