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LED照明正在改變人們使用照明的方式，繼而開啟設計人員將智能控制和色彩混合融合到LED照明裝置的新機遇。DSC可推動眾多應用領域的創新：從汽車頭燈和尾燈到最先進的燈光秀，后者可將一個公共建筑變為一件藝術品。 LED的高能效、調光功能和壽命長的獨特結合使變色照明裝置更加高效、成本更低且更易實現。再結合數字信號控制器（DSC）即可實現高效的LED驅動和準確的色彩控制以及與外界的通信。所有這些特性為設計人員開發頗具特色的下一代LED照明裝置提供了較大的空間。 亮度越高，越復雜 低功耗指示燈LED在眾多產品中占據著重要位置且大多數工程師熟知其簡單設計：他們所需要的只是一個電源和一個具有合適阻值的串聯電阻，以保持LED的電流低于小于5 mA的典型值。設計人員可將LED連接到單片機上的GPIO引腳使之閃爍。然而，將高亮度、高電流LED（正向電流超過350 mA）串聯在一起，簡單的LED設計卻會變得相當復雜。此時，除了溫度變化和LED本身產生的極高溫度以外，設計人員還面臨控制電流的挑戰。 圖1：光通量與正向電流成正比 智能電流控制 高亮度LED需要保持相對較高的恒定電流才能保持亮度和色彩。圖1顯示了LED的光通量與流經LED的正向電流（IF）的比例關系。因此，保持正向電流恒定對于實現一致的色彩和光輸出至關重要。采用簡單的電阻與LED串聯電路時，可通過以下公式確定正向電流： (IF = (VSource-VF)/R) 當電源電壓（VSource）變化時，正向電流將跟著變化，從而導致LED發出的光能量也發生變化。因此，需要使用一個可有效調節正向電流的電源來驅動LED。 溫度控制 通常，LED的正向電壓（VF）隨著溫度的升高而增大，即使在正向電流恒定和穩定的情況下也是如此。圖2顯示了未適當調節的正向電流與LED的正向電壓保持一致變化的情形，并解釋了為何控制流經LED的正向電流比控制正向電壓更重要。 圖2：正向電壓的變化對正向電流的影響 高功耗LED本身產生的大量熱量可導致LED壽命明顯降低并可能過早損壞。對于每個設計來說，有效控制LED的正向電流就需要根據目標正向電流和預估正向電壓來確定散熱水平。使用溫度傳感器還可監視可能的過熱情況。 準確的色彩控制 LED幾乎可以立即改變其光輸出這一事實，使其成為了需要快速改變色彩的燈具的理想之選。通過使用一系列紅色、綠色和藍色LED便可產生任意一種顏色，而我們只需調整每個LED的亮度。一種方法是簡單地增大或減小每個LED的正向電流。但該方法的問題是，改變正向電壓不僅會改變亮度，還會使LED的輸出光顏色略微改變，這對需要準確色彩的應用來說是個問題。 另一種方法是使用脈沖電流，它可提供相同的調光效果，而輸出光顏色不會有感知上的變化。如圖3所示，紅色虛線表示平均脈沖電流在產生亮度變化的同時卻保持流過LED的正向電流恒定，因此，不會改變感知色彩。 圖3：產生正向電流脈沖以更改感知亮度 數字調光控制 使用數字信號控制器（DSC）極大地簡化了采用脈沖電流技術的調光過程。許多DSC上的高級PWM模塊可用來生成PWM信號，這些信號用來控制LED的功率級。這些PWM模塊具有可快速、準確關閉PWM 輸出的“改寫輸入”，支持控制流經LED的電流，從而對LED進行調光。調光量量化為介于零和表示最大亮度的值之間的數字。要將LED設置為50%亮度，計數器將從零計數到255并在計數到128時觸發PWM 改寫。然后，PWM輸出關斷以消除LED電流。當計數器達到其最大值255時，復位為0并重新使能PWM。當需要對LED進行調光時重復該過程以產生脈沖電流，如圖4所示。通常使用400 Hz以上的頻率來確保調光頻率足夠快，這樣人眼才不會察覺到LED閃爍。 圖4：調光的數字控制 數字LED驅動 除了調光控制，DSC還可提供一個有效電源來控制高亮度LED的正向電流。降壓和升壓開關電源（SMPS）拓撲均可用于為LED供電且均可受益于DSC智能。 圖5：用于驅動LED或串聯LED的降壓拓撲 當LED或串聯LED的正向電壓小于電源電壓時，使用降壓拓撲。在該拓撲中，如圖5所示，PWM 控制開關（Q），而當開關（Q）關閉時檢測電阻（Rsns）上的電壓對應LED的正向電流。DSC的比較器用于比較電阻（Rsns）上的電壓與可配置的內部參考電壓，該參考電壓與所需的LED正向電流成正比。當檢測電壓大于內部參考電壓時，該模擬比較器將禁止PWM的短路開關（Q），使得電感（L）通過二極管（D）和LED釋放其存儲的電流。下一個PWM周期開始時，開關（Q）關閉，并再次開始該過程。DSC的高級特性使該方法可有效調節流經LED的正向電流，而不會造成任何CPU開銷。 當LED或串聯LED的正向電壓大于電源電壓時，使用升壓拓撲，如圖6所示。和降壓拓撲一樣，PWM 控制開關（Q），監視流經檢測電阻（Rsns）的正向電流。DSC上的ADC模塊采樣檢測電阻上的電壓，該電壓對應LED的正向電流。DSC 上由軟件執行的比例積分（PI）控制回路使用該值，根據ADC 讀數和對應所需電流的軟件參考值來調整開關（Q）的占空比。通過由軟件實現PI控制回路，DSC增強了各種控制回路方法的靈活性。同時，降低PI控制回路的CPU開銷也意味著DSC可控制多串LED并仍有足夠的能力來支持其他特性。 圖6：用于驅動LED的升壓拓撲 數字通信 DSC具有足夠的處理能力，可在智能控制LED裝置的同時實現通信協議，而無需單獨的通信/控制器件。例如，DMX512照明控制協議使用標準單向通信，即通過一個主器件和多個從器件以每個數據包512字節的速率向各個照明裝置發送命令，且可單獨尋址每個器件或節點。高速處理支持DSP將執行快速控制回路（如用于升壓轉換器的PI控制器）作為首要任務，而同時在后臺運行通信協議（如DMX512）。由于通信是由軟件實現，因此不局限于單個協議，支持使用任何通信機制控制此裝置。 降低學習難度 和任何新技術一樣，學習數字LED控制對于設計人員來說并非易事�？梢酝ㄟ^使用數字控制LED照明工具包、參考設計和應用筆記來簡化。這些通常包括免費的源代碼和硬件文檔，還會提供可更換的功率級來支持不同電源拓撲。例如，Microchip的DM330014 LED照明開發工具包具有 LED驅動子卡，該子卡支持設計人員在同一電路板上進行多個驅動級實驗。 LED的高能效和即時調光功能確保該技術將繼續推動色彩混合和其他照明應用方面的創新。設計人員將DSC提供的智能控制和通信融合到LED照明裝置中，增強了其特性和功能，可在照明應用領域中展現其獨到之處和難以置信的驚艷之處。 |
