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基于HSI模型的全彩LED驱动电路设计

时间:07-28 来源:21ic 点击:

 引言

发光二极管(Light Emitting Diode,LED)是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光,随着LED的应用越来越广,对于其驱动电路要求也越来越高。现在大多数场合需要采用恒流输出的开关电源,对于全彩LED灯而言,采用传统的RGB分别驱动在面对既要调色温又要调节亮度时候会有明显的缺陷,基于这点,通过改良HSI模型,设计了这款适合与全彩LED的驱动电路。传统的RGB模型需要R,G,B分别调节,而HSI模型主要将亮度和色度分开,通过H,S,I三个参数分别调节,H(色度),S(饱和度),I(亮度)。HIS模型下的驱动电路通过单片机控制总线驱动电流来限定I参数(亮度),通过R,G,B三端反馈调节R,G,B的综合比例(H参数),经由光线传感器获取光亮度的饱和程度S参数,达到驱动电路调节的目的。

1 总体设计

图1为HIS模型下全彩LED驱动电路的总体设计。硬件部分采用恒流驱动芯片PT4115,采用总一分的方式进行RGB驱动,通过采样电路获取R,G,B三路电流信号反馈,用来调节R,G,B的比例。软件采用STC系列单片机作为主调节模块,通过获取A/D转换调节三色颜色比例,采用PID调节方式,以保证调节的稳定。
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2 LED驱动电路硬件设计

2.1 恒流驱动原理

如图2所示,这里由两只特性相同的管子VT0和VT1构成,两管的发射极分别接入电阻Re0和Re1。电阻R中的电流为基准电流,其表达式为:
闂傚倸鍊搁崐鎼佸磹閹间礁纾归柟闂寸绾惧綊鏌熼梻瀵割槮缁炬儳缍婇弻鐔兼⒒鐎靛壊妲紒鐐劤缂嶅﹪寮婚悢鍏尖拻閻庨潧澹婂Σ顔剧磼閹冣挃闁硅櫕鎹囬垾鏃堝礃椤忎礁浜鹃柨婵嗙凹缁ㄥジ鏌熼惂鍝ョМ闁哄矉缍侀、姗€鎮欓幖顓燁棧闂備線娼уΛ娆戞暜閹烘缍栨繝闈涱儐閺呮煡鏌涘☉鍗炲妞ゃ儲鑹鹃埞鎴炲箠闁稿﹥顨嗛幈銊╂倻閽樺锛涘┑鐐村灍閹崇偤宕堕浣镐缓缂備礁顑呴悘婵嬫倵椤撶喍绻嗛柕鍫濈箳閸掍即鏌涢悤浣镐簽缂侇喛顕ч埥澶娢熻箛鎾剁Ш闁轰焦鍔欏畷銊╊敊鐠侯煈鏀ㄧ紓鍌氬€风粈渚€顢栭崟顖涘殑闁告挷鐒﹂~鏇㈡煙閹规劦鍤欑痪鎯у悑閹便劌顫滈崱妤€骞嬮梺绋款儐閹瑰洭骞冨⿰鍫熷殟闁靛鍎崑鎾诲锤濡や胶鍙嗛梺鍝勬处濮樸劑宕濆澶嬬厵闁告劘灏欓悞鍛婃叏婵犲嫮甯涢柟宄版嚇瀹曘劍绻濋崒娑欑暭闂傚倷娴囧畷鐢稿窗閸℃稑纾块柟鎯版缁犳煡鏌曡箛鏇烆€屾繛绗哄姂閺屽秷顧侀柛鎾寸懇椤㈡岸鏁愰崱娆戠槇濠殿喗锕╅崢鍏肩濠婂懐纾奸柣鎰靛墮椤庢粌顪冪€涙ɑ鍊愮€殿喗鐓¢、妤呭礋椤戣姤瀚奸梻浣告贡鏋繛鎾棑缁骞樼€靛摜顔曢柣鐘叉厂閸涱厼鐓傞梺杞扮閻楀﹥绌辨繝鍥ч柛娑卞枛濞呫倝姊虹粙娆惧剬闁告挻绻勯幑銏犫攽閸モ晝鐦堥梺绋挎湰缁嬫垵鈻嶉敐鍜佹富闁靛牆绻掗崚浼存煏閸喐鍊愭鐐插暞缁傛帞鈧絽鐏氶弲顒€鈹戦悙鏉戠仸閽冮亶鎮归崶鈺佷槐婵﹨娅i幏鐘诲灳閾忣偆浜堕梻浣藉吹閸o附淇婇崶顒€绠查柕蹇曞Л閺€浠嬫倵閿濆簼绨介柛濠勫仱濮婃椽妫冨ù銈嗙洴瀹曟﹢濡搁妷顔藉枠濠电姷鏁告慨鐑藉极閸涘﹥鍙忛柣鎴f閺嬩線鏌熼梻瀵割槮缁炬崘顫夐妵鍕冀椤愵澀绮堕梺缁樺笒閻忔岸濡甸崟顖氱闁瑰瓨绻嶆禒鑲╃磼閻愵剙鍔ゆい顓犲厴瀵鎮㈤悡搴n槶閻熸粌绻掗弫顔尖槈閵忥紕鍘介梺瑙勫劤椤曨厼煤閹绢喗鐓欐い鏃傜摂濞堟粓鏌℃担鐟板闁诡垱妫冮崹楣冩嚑椤掍焦娅﹀┑鐘垫暩婵參骞忛崘顔肩妞ゅ繐鍟版す鎶芥⒒娓氣偓閳ь剚绋撻埞鎺楁煕閺傝法肖闁瑰箍鍨归埞鎴犫偓锝庝簻缁愭稑顪冮妶鍡樼闁瑰啿绉瑰畷顐⑽旈崨顔规嫽婵炶揪绲介幉锛勬嫻閿熺姵鐓欓柧蹇e亝鐏忕敻鏌嶈閸撴艾顫濋妸锔芥珷婵°倓鑳堕埞宥呪攽閻樺弶鎼愮紒鐘垫嚀闇夐柨婵嗙墕閳ь兛绮欐俊鎼佸煛閸屾粌寮抽梻浣告惈閸熺娀宕戦幘缁樼厱閹艰揪绱曢敍宥囩磼鏉堚晛浠辨鐐村笒铻栧ù锝呭级鐎氫粙姊绘担鍛靛綊寮甸鍕仭闁靛ň鏅涚粈鍌溾偓鍏夊亾闁告洦鍓涢崢鐢告⒑閹勭闁稿鎳庨悾宄扮暆閳ь剟鍩€椤掑喚娼愭繛鍙夌矒瀵偆鎷犲顔兼婵炲濮撮鎰板极閸ヮ剚鐓熼柟閭﹀弾閸熷繘鏌涢悙鍨毈婵﹦绮幏鍛存嚍閵壯佲偓濠囨⒑闂堚晝绉剁紒鐘虫崌閻涱喛绠涘☉娆愭闂佽法鍣﹂幏锟�...
所以集电极电流为:
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由于这里通过改变Ic1和Ir的关系,使工Ic1和Ir呈比例关系,从而克服镜像恒流源电路的缺点。理论推导证明:
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可见,只要改变Re0和Re1的阻值,就可以改变Ic1和Ir的比例关系,其基准电流Ir为:
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通过Re0和Re1电流负反馈电阻,从而使恒流源的输出电流Ic1具有更高的稳定性。
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2.2 PWM控制恒流源驱动

PWM调节是指通过一个周期内脉宽占空比的形式来驱动LED的方式,LED的平均驱动电流取决于脉冲波形的占空比和LED额定驱动电流,在驱动电流固定时,通过改变PWM占空比可以调节驱动电流大小。为了避免闪烁,故PWM调节的频率选择在500 Hz左右。如图3所示。
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这里采用LED驱动芯片PT4115。PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源IC,能将直流电压直接转换成稳定的恒流输出。

图4为在PWM调光模式下外加PWM脉冲驱动信号和输出驱动电流的测量结果。PWM占空比从0~100%。从图中可以清楚的看到,通过改变不同的PWM占空比可以调节额定电流,PT4115最大能够输出1.2 A的电流。
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输出的额定电流由以下公式得到:
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式中:D为PWM的占空比。

3 HSI模型

3.1 HIS模型的转换

RGB模型面向电路,而HSI模型与人的颜色感知一一对应,所以需要通过RGB模型完成到HSI模型的转换:
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式中:H分量表示色调;S代表饱和度;I代表亮度。

3. 2 基于HSI模型驱动设计方案

主要通过HSI模型控制RGB模型,如图5所示,通过I分量作为总线控制,再又驱动电路设定颜色,并让R,G,B三种分量经过加法器之后进行自稳定,传感器获取光线亮度条件,并转换为S分量用来处理。以下是具体的模块实现:通过向HCS12单片机中设置环境亮度以及色温,控制4线共阴的全彩LED,通过采样电阻反馈RGB三种颜色驱动电路中的电流信号,从而通过调节三色比例达到调节色温的目的。再通过光亮度传感器向单片机反馈数据,直接调节总线驱动电路限定额定最大电流,从而控制全彩LED灯光的亮度。当调节为白色灯光时,只需固定好三色比例为1:1:1,从而直接调节总线驱动电路就可调节LED的光亮度。这里需要对每路驱动电路分别使用PT4115作为驱动电路。

4 软件设计及仿真

这里稳定色温采用离散PID调节的方式:
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首先进行参数的设定,A/D转换之后通过加法器获取H分量,H分量代表色温,通过PID调节稳定色温达到在调节LED亮度之后,颜色不变。通过调节P,I,D三个参数,让光亮度的变化可以尽量地适应人眼对于光的感受。PID调节与仿真见图6。
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5 结语

本文讨论了LED恒流源PWM调节,介绍了PWM调节的电路,并提出了一种基于HSI模型的驱动控制电路,通过HSI模型控制RGB模型,并且可以通过三色驱动电路比例调节达到所需要的颜色。该电路可以克服调节亮度的时候会产生色差,亮度不好调节的问题,根据个人喜好调节LED灯具的光强和色温,通过直接调节总线驱动电路限定额定最大电流,从而控制全彩LED灯光的亮度,从而使此驱动电路达到了良好的照明效果。

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