【導讀】隨著LED照明設備的發展，智能控制和色彩混合加入到LED照明裝置的行列。LED的高效、壽命長、調光功能等特性使變色照明裝置變得更加高效節能。本文介紹了通過數字信號控制器將智能控制與通信融合到LED照明裝置的大膽構想，實現了LED驅動、色彩控制以及外界通信。
挑戰高亮度
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
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
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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。
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。
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
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。
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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
全面解析線性高壓LED驅動方案及發展趨勢
選型必備：LED驅動器架構的選擇
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