LED照明的智能控制—数字信号控制器将智能控制和通信融合到LED照明中

        LED照明正在改变人们使用照明的方式，继而开启设计人员将智能控制和色彩混合融合到LED照明装置的新机遇。DSC可推动众多应用领域的创新：从汽车头灯和尾灯到最先进的灯光秀，后者可将一个公共建筑变为一件艺术品。
LED的高能效、调光功能和寿命长的独特结合使变色照明装置更加高效、成本更低且更易实现。再结合数字信号控制器（DSC）即可实现高效的LED驱动和准确的色彩控制以及与外界的通信。所有这些特性为设计人员开发颇具特色的下一代LED照明装置提供了较大的空间。
亮度越高，越复杂
低功耗指示灯LED在众多产品中占据着重要位置且大多数工程师熟知其简单设计：他们所需要的只是一个电源和一个具有合适阻值的串联电阻，以保持LED的电流低于小于5 mA的典型值。设计人员可将LED连接到单片机上的GPIO引脚使之闪烁。然而，将高亮度、高电流LED（正向电流超过350 mA）串联在一起，简单的LED设计却会变得相当复杂。此时，除了温度变化和LED本身产生的极高温度以外，设计人员还面临控制电流的挑战。


图1：光通量与正向电流成正比

智能电流控制
高亮度LED需要保持相对较高的恒定电流才能保持亮度和色彩。图1显示了LED的光通量与流经LED的正向电流（IF）的比例关系。因此，保持正向电流恒定对于实现一致的色彩和光输出至关重要。采用简单的电阻与LED串联电路时，可通过以下公式确定正向电流：
(IF = (VSource-VF)/R)
当电源电压（VSource）变化时，正向电流将跟着变化，从而导致LED发出的光能量也发生变化。因此，需要使用一个可有效调节正向电流的电源来驱动LED。
温度控制
通常，LED的正向电压（VF）随着温度的升高而增大，即使在正向电流恒定和稳定的情况下也是如此。图2显示了未适当调节的正向电流与LED的正向电压保持一致变化的情形，并解释了为何控制流经LED的正向电流比控制正向电压更重要。


图2：正向电压的变化对正向电流的影响

高功耗LED本身产生的大量热量可导致LED寿命明显降低并可能过早损坏。对于每个设计来说，有效控制LED的正向电流就需要根据目标正向电流和预估正向电压来确定散热水平。使用温度传感器还可监视可能的过热情况。


       
准确的色彩控制
LED几乎可以立即改变其光输出这一事实，使其成为了需要快速改变色彩的灯具的理想之选。通过使用一系列红色、绿色和蓝色LED便可产生任意一种颜色，而我们只需调整每个LED的亮度。一种方法是简单地增大或减小每个LED的正向电流。但该方法的问题是，改变正向电压不仅会改变亮度，还会使LED的输出光颜色略微改变，这对需要准确色彩的应用来说是个问题。
另一种方法是使用脉冲电流，它可提供相同的调光效果，而输出光颜色不会有感知上的变化。如图3所示，红色虚线表示平均脉冲电流在产生亮度变化的同时却保持流过LED的正向电流恒定，因此，不会改变感知色彩。


图3：产生正向电流脉冲以更改感知亮度

数字调光控制
使用数字信号控制器（DSC）极大地简化了采用脉冲电流技术的调光过程。许多DSC上的高级PWM模块可用来生成PWM信号，这些信号用来控制LED的功率级。这些PWM模块具有可快速、准确关闭PWM 输出的“改写输入”，支持控制流经LED的电流，从而对LED进行调光。调光量量化为介于零和表示最大亮度的值之间的数字。要将LED设置为50%亮度，计数器将从零计数到255并在计数到128时触发PWM 改写。然后，PWM输出关断以消除LED电流。当计数器达到其最大值255时，复位为0并重新使能PWM。当需要对LED进行调光时重复该过程以产生脉冲电流，如图4所示。通常使用400 Hz以上的频率来确保调光频率足够快，这样人眼才不会察觉到LED闪烁。


图4：调光的数字控制

数字LED驱动
除了调光控制，DSC还可提供一个有效电源来控制高亮度LED的正向电流。降压和升压开关电源（SMPS）拓扑均可用于为LED供电且均可受益于DSC智能。  


图5：用于驱动LED或串联LED的降压拓扑

当LED或串联LED的正向电压小于电源电压时，使用降压拓扑。在该拓扑中，如图5所示，PWM 控制开关（Q），而当开关（Q）关闭时检测电阻（Rsns）上的电压对应LED的正向电流。DSC的比较器用于比较电阻（Rsns）上的电压与可配置的内部参考电压，该参考电压与所需的LED正向电流成正比。当检测电压大于内部参考电压时，该模拟比较器将禁止PWM的短路开关（Q），使得电感（L）通过二极管（D）和LED释放其存储的电流。下一个PWM周期开始时，开关（Q）关闭，并再次开始该过程。DSC的高级特性使该方法可有效调节流经LED的正向电流，而不会造成任何CPU开销。


       
当LED或串联LED的正向电压大于电源电压时，使用升压拓扑，如图6所示。和降压拓扑一样，PWM 控制开关（Q），监视流经检测电阻（Rsns）的正向电流。DSC上的ADC模块采样检测电阻上的电压，该电压对应LED的正向电流。DSC 上由软件执行的比例积分（PI）控制回路使用该值，根据ADC 读数和对应所需电流的软件参考值来调整开关（Q）的占空比。通过由软件实现PI控制回路，DSC增强了各种控制回路方法的灵活性。同时，降低PI控制回路的CPU开销也意味着DSC可控制多串LED并仍有足够的能力来支持其他特性。


图6：用于驱动LED的升压拓扑

数字通信
DSC具有足够的处理能力，可在智能控制LED装置的同时实现通信协议，而无需单独的通信/控制器件。例如，DMX512照明控制协议使用标准单向通信，即通过一个主器件和多个从器件以每个数据包512字节的速率向各个照明装置发送命令，且可单独寻址每个器件或节点。高速处理支持DSP将执行快速控制回路（如用于升压转换器的PI控制器）作为首要任务，而同时在后台运行通信协议（如DMX512）。由于通信是由软件实现，因此不局限于单个协议，支持使用任何通信机制控制此装置。
降低学习难度
和任何新技术一样，学习数字LED控制对于设计人员来说并非易事。可以通过使用数字控制LED照明工具包、参考设计和应用笔记来简化。这些通常包括免费的源代码和硬件文档，还会提供可更换的功率级来支持不同电源拓扑。例如，Microchip的DM330014 LED照明开发工具包具有 LED驱动子卡，该子卡支持设计人员在同一电路板上进行多个驱动级实验。
LED的高能效和即时调光功能确保该技术将继续推动色彩混合和其他照明应用方面的创新。设计人员将DSC提供的智能控制和通信融合到LED照明装置中，增强了其特性和功能，可在照明应用领域中展现其独到之处和难以置信的惊艳之处。