低成本三基色大功率LED驅動(dòng)控制方案設計

摘要：針對三基色LED(Light Emitting Diode)驅動(dòng)成本高、電路設計復雜的問(wèn)題，設計了一款用于三基色大功率LED驅動(dòng)控制方案。設計并制作電路驅動(dòng)LED模型裝置，通過(guò)單片機產(chǎn)生三路PWM(Pulse Width Modulation)波來(lái)控制MOSFET，從而分別控制三路LED，這樣只需要一個(gè)DC/DC(Direct Current/Direct Current)驅動(dòng)器，就能實(shí)現三路LED的調節，而且通過(guò)特定算法將上位機傳送的標準Yxz值(遵循標準ZLL，ZigBee Light Link協(xié)議)轉化為RGB(Red Green Blue)值。根據實(shí)驗測得，三路LED調節反應迅速，顯色效果優(yōu)秀。

三基色混色需要幾個(gè)條件，一是分別發(fā)出紅、綠、藍三種顏色的LED光源;二是三種光源能夠分別獨立控制;三是擁有混色比例的算法?，F代LED制造工藝的發(fā)展，分別發(fā)出單色光的LED不是難題，如何單獨控制每路LED也很好實(shí)現，只是控制效果和體積成本等方面的差別。由于人們對品質(zhì)的追求，驅動(dòng)控制方案層出不窮，提出了通過(guò)獨立控制PWM來(lái)

驅動(dòng)三路大功率LED的方案，來(lái)實(shí)現三基色的混色。在Buck(降壓電路)的基礎上，利用恒流控制芯片的特性，將開(kāi)關(guān)管與LED串并聯(lián)，實(shí)現對LED串的控制。LED控制部分拓撲結構僅需要幾個(gè)簡(jiǎn)單的三極管及MOSFET等元件，即可以達到控制要求。

1 系統方案設計

為實(shí)現LED的三基色混色，選擇PWM調光方式，系統共包括兩大部分，一是驅動(dòng)電源的設計，包括AC/DC(Alternating Current/Direct Current)驅動(dòng)電源和DC/DC驅動(dòng)電源及LED調節控制，該部分實(shí)現系統供電及LED的驅動(dòng);二是系統軟件的設計，其中包括三基色轉換算法，該部分完成上位機與單片機的通訊及單片機對LED的控制。

1.1 AC/DC驅動(dòng)電源

驅動(dòng)電源輸入端采用交流寬電壓范圍為85～265VAC/50 Hz，輸出端為兩路恒定電壓VOUT1和VOUT2，VOUT1為40 V/300 mA，VOUT2為5 V/100 mA，電路原理如圖1。

工作原理：接通電源后，交流電壓經(jīng)過(guò)整流橋后輸出正弦半波直流脈動(dòng)電壓，通過(guò)R5、R6給芯片VCC腳一個(gè)啟動(dòng)電壓，芯片開(kāi)始工作。芯片正常工作時(shí)，由變壓器T2的輔助繞組供電，芯片GD腳輸出PWM波控制開(kāi)關(guān)Q1的通斷。直流輸出電壓VOUT1作為主反饋，經(jīng)PC817輸入芯片的INV腳，作為乘法器的輸入。同時(shí)整流橋后端電壓經(jīng)電阻R1、R2、R3與R4分壓后，在芯片MULT腳得到正弦半波信號，作為乘法器的另一輸入端。乘法器輸出得到正弦半波參考電壓，當Q1導通時(shí)，原邊繞組電流增大，經(jīng)電阻R18在芯片CS腳產(chǎn)生電壓與正弦參考電壓作比較，當CS電壓達到正弦幅值時(shí)，Q1截止。當Q1截止時(shí)，原邊繞組電感極性反轉，輔助繞組極性為正電位，經(jīng)電阻R7在ZCD腳產(chǎn)生電壓，以檢測低壓點(diǎn)(0.7 V)，達到此值，芯片GD腳輸出高電平，使Q1導通，實(shí)現準諧振。

1.2 DC/DC驅動(dòng)電源及LED調節控制電路

ZXLD1362是一個(gè)連續模式降壓型LED驅動(dòng)器，內置MOSFET，可驅動(dòng)最大1A電流，具有電流檢測功能，可實(shí)現恒流。DC/DC驅動(dòng)電源電路原理圖如圖2，當電源啟動(dòng)時(shí)，由于電感L2的存在，電流會(huì )緩慢變大，芯片SET腳檢測電壓值達到0.1 V時(shí)，關(guān)斷內部MOSFET，此時(shí)電感極性反轉，電流回路通過(guò)肖特基二極管D20續流，電流開(kāi)始下降，當SET腳電壓下降至0.01V時(shí)，內部MOSFET開(kāi)通，這樣周而復始循環(huán)。每個(gè)LED的通過(guò)電流都是恒定的300 mA，當由PWM信號控制LFD旁路MOSFET的通斷時(shí)，就形成LED的通過(guò)，3種色彩LED的不同通斷組合，就可以混合出各種色彩及亮度。

LED調節電路包括3套完全相同的控制電路，每套電路都包含3個(gè)三極管和一個(gè)功率MOSFET管，根據圖2中PWM1對應的一套電路來(lái)分析。三極管Q1接收到PWM1信號，當其為高電平時(shí)，Q1截止，射極連接到三極管Q2、Q3的基極，且為高電平，Q2導通，Q3截止，輸出到功率MOSFET管Q4管柵極電平為高，Q4管導通，將對應的LED串短路;當PWM1信號為低電平時(shí)，Q1導通，射極連接到Q2、Q3的基極，且為低電平，Q2截止，Q3導通，輸出到Q4柵極電平為低，Q4截止，對應的LED串正常導通。三極管Q1、Q2為NPN管，三極管Q3為PNP管，MOSFET管Q4為NMOS管。

2 軟件設計

2.1 軟件架構

軟件系統主要包括兩部分，一為串口接收命令及對命令的解析;二為根據三基色配比，改變TMRx中的值，從而產(chǎn)生不同占空比的PWM。首先自定義數據通信協(xié)議，通信中的數據采用數據包的形式發(fā)送與接收，一個(gè)數據包稱(chēng)為一幀數據。一幀數據由以下幾個(gè)部分組成：幀頭、地址信息、數據類(lèi)型、數據長(cháng)度、數據塊、校驗碼、幀尾。幀頭和幀尾用于數據包完整性的判別，幀頭定義為0xAA885E，幀尾定義為0x0D。地址信息主要用于多機通信中，通過(guò)地址信息的不同來(lái)識別不同的通信終端，統一定義為0x00，這里定義作為預留。數據類(lèi)型、數據長(cháng)度和數據塊是主要的數據部分，數據類(lèi)型可以標識后面緊接著(zhù)的命令還是數據，數據長(cháng)度用于指示有效數據的個(gè)數。校驗碼則用來(lái)檢驗數據的完整性和正確性，由對數據段作累加和得到。系統上電，軟件初始化后，處于等待中斷狀態(tài)，當上位機通過(guò)串口發(fā)送指令，單片機解析指令，通過(guò)RB5、RB3、RB0輸出不同的PWM信號。

軟件系統框圖如圖3。系統上電后，程序首先進(jìn)行初始化，接著(zhù)打開(kāi)系統開(kāi)關(guān)狀態(tài)的監聽(tīng)，一旦接收到關(guān)機命令，即輸出關(guān)機，結束系統運行。程序接下來(lái)執行異常狀態(tài)的偵測，包括數據是否完全初始化成功、狀態(tài)變量的賦值、死循環(huán)等，偵測到異常狀態(tài)，則做自我修復，否則重新進(jìn)行初始化。接著(zhù)打開(kāi)命令接收監聽(tīng)，對接收到的命令進(jìn)行解析，如果是控制LED命令則進(jìn)入中斷，使能PWM輸出相應數據，而后恢復中斷，繼續監聽(tīng)下一個(gè)狀態(tài)量的到來(lái)。進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，首先檢測相應中斷標志位，有中斷標志置位，則清除相應中斷標志位，輸出PWM產(chǎn)生信號，否則繼續監聽(tīng)中斷狀態(tài)。

2.2 色度轉換算法

在色譜的表色方法中，CIE1931Yxy表色法是最常用的，在Yxy色度圖中，x色度坐標相當于紅原色的比例，y色度坐標相當于綠原色的比例，Y表示顏色亮度特征的亮度因數。

筆者通過(guò)單片機接收上位機發(fā)來(lái)的串口數據，便是x、y值，再通過(guò)ZLL協(xié)議的算法來(lái)對x、y值進(jìn)行轉換，來(lái)獲得R’、G’、B’值，從而得到調節三路PWM的值。變換過(guò)程如圖4。

2.2.1 xyY轉化為XYZ

根據CIEl931表色法的定義得到

2.2.2 XYZ轉化為RGB

光源通常都是不確定變化的數值，但是當提供標準的比色法數值時(shí)，有助于分析各種光源。不同的標準光源滿(mǎn)足不同的應用場(chǎng)合，根據CIE1931的規定，幾種標準光源的數值如表3。

如果XYZ與RGB是相同的光源，則不需做任何變換;如果XYZ與RGB不是相同的光源，則需要布拉德福德矩陣來(lái)進(jìn)行變換，變換公式如下。

該矩陣是三基色所限定的空間中執行得到，表示在XYZ坐標中，而相對于純白色這一特殊情況時(shí)，可以更加精確地得到紅、綠、藍的值，其特征與已知的XYZ坐標相對應。X’、y’、Z’與RGB之間的轉換公式如下

2.2.3 RGB轉化為R’G’B’

人眼對外界光源的感光值與輸入光強不是呈線(xiàn)性關(guān)系的，而是呈指數型關(guān)系。在低照度下，人眼更容易分辨出亮度的變化，隨著(zhù)照度的增加，人眼不易分辨出亮度的變化。不過(guò)，這可以通過(guò)gamma校正來(lái)解決，所謂gamma校正是對輸入圖像灰度值進(jìn)行的非線(xiàn)性操作，使輸出圖像灰度值與輸入圖像灰度值呈指數關(guān)系：

Vout=AViny (5)

Vout、Vin指輸入輸出，A是變換系數，y是gamma校正系數。

RGB與R’G’B’的轉換公式如下

3 實(shí)驗結果及分析

實(shí)驗測得單片機輸出PWM波及對應的LED電流波形如圖5所示，從圖中可以看出，PWM的頻率為404.8 kHz，占空比可以調節，經(jīng)測試，輸出頻率范圍為50 Hz到500 kHz之間，占空比可調節范圍為0.05到1之間，輸出電壓大約為3.3 V，足以驅動(dòng)MOSFET。輸出電流峰值大約在300 mA左右，以400 kHz的頻率調節電流輸出，占空比為0.5。將PWM輸出電壓波形取反，以便觀(guān)察，從圖中可以看出，當其為高電平時(shí)，對應的LED電流大約為300mA，而且紋波很小，大約為3%;當其為低電平時(shí)，對應的LED電流大約為-50 mA，這是由電路續流產(chǎn)生的，對LED的工作沒(méi)有影響。電流的輪換速率達到微秒級，具有很小的上升與下降時(shí)間，而且隨著(zhù)PWM的電壓變化，電流也實(shí)時(shí)地變化，完全可以自由控制導通時(shí)間及占空比。每一路的通斷都是由相同頻率的PWM控制的，在調配各個(gè)LED燈串的導通時(shí)間比例時(shí)，很有優(yōu)勢，實(shí)際測試下來(lái)與圖5中的結果完全一致。

4 結論

本文通過(guò)對三基色LED驅動(dòng)電源及色彩轉換算法的研究，設計了一套驅動(dòng)電路系統控制方案，通過(guò)巧妙的設計，僅使用幾個(gè)簡(jiǎn)單的三極管、MOSFET管等元件來(lái)實(shí)現LED的控制。實(shí)驗表明，PWM信號可以很好地控制LED電流，電流響應速率達到微秒級，而且具有較大的功率。該控制方案的實(shí)現較為簡(jiǎn)單，而且成本低、功率大，為三基色混色的智能控制提供了有效的解決方案。