高亮度 LED 在照明應(yīng)用中的使用越來越廣泛。我們在這里將介紹一種簡單的“氣氛照明燈”,，其僅使用了少量的組件,。所有這三 種 LED 均由使用開關(guān)調(diào)節(jié)器的恒定電流來供電，同時亮度控制由能夠產(chǎn)生三種 PWM 信號的 MSP430 微控制器來完成,?？梢杂媚?砂玻璃外殼將印刷電路板安裝到臺燈中，或者也可以和 LED 聚光燈一起使用來進行間接照明,。

無論其功耗有多大,，現(xiàn)在的 LED 通常都使用一個恒定電流源來驅(qū)動。這是因為以流明 (lm) 為單位的光輸出量和電流量成正比例 關(guān)系,。

因此,，所有的 LED 廠商都規(guī)定了諸如光輸出（有時稱為光學(xué)效率）,、可視角度和波長等參數(shù)，作為正向電流 IF 的函數(shù),，而非像人 們所期望的那樣作為正向電壓 VF 的函數(shù),。所以，我們在電路中使用了適當?shù)暮愣娏髡{(diào)節(jié)器,。

用于高亮度 LED 的恒定電流

市場上大多數(shù)開關(guān)調(diào)節(jié)器都被配置為恒定電壓源,，而非恒定電流源。將恒定電壓調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)換為恒定電流運行必須要對電路進行 簡單,、稍微的改動,。我們使用了一個壓降被調(diào)節(jié)了的電流感應(yīng)電阻器，而非通常用于設(shè)定輸出電壓的分壓器,。圖 1 顯示了該電路的 簡化圖,。

圖 1 一個開關(guān)調(diào)節(jié)器既可以被配置為一個電壓源也可被配置為一個電流源

LED 亮度調(diào)節(jié)

LED 亮度調(diào)節(jié)的方法主要有兩種。第一種也是最為簡單的一種方法便是利用模擬控制直接控制流經(jīng) LED 的電流：通過降低流經(jīng) LED 的電流帶來降低其亮度,。然而不幸的是,，這種方法存在兩個嚴重的缺點。首先,，LED 的亮度并非嚴格地和電流成正比例關(guān)系,， 其次，當電流的變化超過 LED 額定值時發(fā)光的波長（以及由此帶來的顏色變化）可能會隨著電流變化而發(fā)生變化,。這兩種現(xiàn)象通常 是我們不希望看到的,。

稍微復(fù)雜一點的控制方法是使用能夠提供 LED 額定工作電流的恒定電流源。這樣,，附加電路就可以利用給定脈沖間隔比 (mark -space ratio) 快速地將 LED 開啟和關(guān)閉,，從而平均發(fā)出更少的光，感覺就像是光的強度降低了,。通過脈沖間隔比,，我們可以較輕松地 對 LED 的感知亮度進行調(diào)節(jié)。這種方法被稱為脈寬調(diào)制（或 PWM）,。

利用 PWM 進行調(diào)光

作為一個示例,，我們將會看到一些使用 TPS62260 實施 PWM 控制的方法。TPS62260 是一款同步降壓轉(zhuǎn)換器,，其具有集成的開關(guān) 元件,，典型的時鐘頻率為 2.25MHz。在圖 2 的電路中,，我們以黑色顯示了將 PWM 信號直接連接至 EN（使能）引腳的可能性。整個開 關(guān)調(diào)節(jié)器電路和 PWM 信號一起開啟和關(guān)閉,。在我們實驗中的試驗表明,，在這種配置中,，我們可以使用一個高達 100Hz 的 PWM 頻 率。這種排列的優(yōu)點是其簡易性：不需要額外的組件,。另外,，它還是最為高效能的實施方法，因為該開關(guān)調(diào)節(jié)器在關(guān)閉時僅產(chǎn)生非 常少的靜態(tài)電流,。其缺點是,，LED 對使能引腳上高電平的反應(yīng)被延遲。這是因為開關(guān)調(diào)節(jié)器具有一種“軟啟動”功能：當器件被開啟時 ,，輸出電流逐漸上升,，直到其達到額定的 LED 電流。在一些應(yīng)用中,，這種上升斜坡可能會存在一些問題,，因為 LED 發(fā)光的波長隨電 流從其最小值到正常工作電平的逐漸增強而變化。例如,，在一個 DLP 投影儀或 LCD 電視面板的 LED 背光燈中,，這種變化可能是我 們無法接受的。但是,，就這個示范項目而言,，肉眼無法看到這種影響。

在第二個變量中（圖 2 中紅色所示部分）,，PWM 信號通過一個小信號二極管被耦合至 TPS62260 的誤差放大器輸入端,。在本電路 中，一個施加于控制輸入端的超過 600mV 的正電壓會使誤差放大器輸入驅(qū)動過度,，并由此關(guān)閉 LED,。由于這個電路沒有使用使能 輸入，因此它不具有與調(diào)節(jié)器軟啟動功能相關(guān)的啟動延遲,，且 LED 被極為快速地開啟和關(guān)閉,。

因此，上述電流斜坡所帶來的輸出波長變化在本結(jié)構(gòu)中小到可以被忽略不計,。另外,，我們在實驗室里發(fā)現(xiàn)，PWM 頻率可以上升 到 5kHz,。

圖 2 中藍色部分顯示了第三種可能性,。這里的 PWM 信號被用于控制線連至 LED 的 MOSFET。MOSFET 使 LED 短路,，并允許其 被更加快速地開啟和關(guān)閉,。該調(diào)節(jié)器運行在恒定電流模式中，而且電流將會流經(jīng) LED 或者 MOSFET。這種方法的一些缺點包括 MOSFET 帶來的額外成本以及低效能：在 2Ω 電流感應(yīng)電阻器中會有高達 180mW 的功率被不斷耗散掉,。其優(yōu)點是較高的開關(guān)頻率： 在一些實驗中,，我們看到 TPS62260 可以成功運行在 50kHz PWM 頻率的狀態(tài)下。

圖 2 實施調(diào)光功能的三種方法

圖 3 使用 JTAG 連接 (JP1),、eZ430 連接器 (JP2) 和旋轉(zhuǎn)編碼器 (R1) 基于 MSP430 微控制器的這種電路的控制部分

圖 4 由三個配置為恒定電流源的開關(guān)調(diào)節(jié)器和一個使用分立組件構(gòu)建的 3.3V 穩(wěn)定電源組成的電路部分

實際電路

該電路的核心（請參見圖 3和圖 4）為一個 MSP430F2131 微控制器,。對它進行編程，以使其起到一個三重 PWM 生成器的作用,，并 從旋轉(zhuǎn)編碼器 (R1) 讀取數(shù)值,。編碼器值用于對一個包含所有紅色、綠色和藍色 LED 脈沖間隔比值的查尋表編索引,。然后,，相應(yīng)的 PWM 信號就會出現(xiàn)在接近 122Hz 頻率時的輸出引腳 TA0、TA1 和 TA2 上,。該信號的強度足以確保 LED 不會出現(xiàn)閃爍,，因為眼睛將 單個光脈沖平滑成了一個平均可感知強度值。

就實際實施而言,，我們選擇了圖 2 中紅色部分所示的 PWM 控制方法,，其在電路復(fù)雜性和性能之間給出了一個較好的平衡值。 每一個 LED,、紅色（D14）,、綠色（D24）和藍色（D34）均由一個來自單個 TPS62260 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的恒定電流供電。2Ω 電阻器將流經(jīng) LED 的額定電流設(shè)定在 300mA,。使用 TPS62260 的“大哥”級產(chǎn)品 TPS62290 可以獲得更強的電流（高達 1A）,，其采用相同的方式進行 封裝。

使用小信號二極管（D13,、D23 和 D33）耦合 PWM 信號,。當 PWM 信號較高時，其會超過相應(yīng)開關(guān)調(diào)節(jié)器的正常誤差信號輸入,，其 具有一個 600 mV 的極限電壓電平,。這就是說，PWM 信號的高電平會迫使 LED 熄滅,。當 PWM 信號最終降低時,，該調(diào)節(jié)器再次啟動 ，同時 LED 亮起,。整個電路均由一個經(jīng)過調(diào)節(jié)的 5V 1 A DC 電源適配器供電,。使用一個電阻和一個齊納二極管構(gòu)建的簡單穩(wěn)壓器將 5V 電平降低至 3.3V，以用于 MSP430 微控制器,。

該電路可以構(gòu)建在如圖 5 所示的印刷電路板上,。有三種版本的電路板，它們之間的區(qū)別僅在于占地面積和 LED 連接排列的不同 。這就允許使用不同類型的 LED,，在部件列表中列舉出了一些可供選擇的 LED,。

散熱圖

在高功耗 LED 的性能中，工作溫度是一個重要的參數(shù),，其會給工作壽命、正向電壓,、輸出波長甚至是設(shè)備的亮度帶來很大影 響,。LED 的工作溫度越高，其預(yù)期壽命就越短,?？紤]到這一因素，我們選擇的實驗印刷電路板尺寸,，要能夠允許將 SK477100 型散熱 片（由 Fischer Elektronik 制造）安裝到使用雙面粘合熱傳輸材料的電路板背面,。在滿功率下運行時，這可以將 LED 的溫度從 61 °C（無 散熱片）降低至 54 °C（有散熱片）,。該散熱片還有助于加速印刷電路板區(qū)域上的熱量耗散,。

為了制作一幅示例散熱圖，我們將電路板和 Cree 公司的 LED 組裝在一起,。圖 6 生動地顯示了結(jié)果,，從而描述出了無散熱片（圖 左側(cè)）和有散熱片（圖右側(cè)）時 LED 的溫度情況。

軟件

本應(yīng)用中 MSP430 軟件的源代碼可以從 Elektor 網(wǎng)站上下載,。該代碼以包括“MSP430F21x2.h”報頭文件作為開始,，該文件包含了所 有控制寄存器名稱以及 MSP430 中可用控制比特的定義。接下來,，顏色表的長度就被定義了出來,。這里需要注意的是， “LED_TabLength”的值實際上被設(shè)定為四倍表長度,。然后,，按照顏色表本身，為每一個單獨的 LED 使用一個單獨的陣列,。指示器 “LEDptr”被用于從單個顏色表陣列中讀取所有三個輸出的相應(yīng) PWM 脈沖間隔比設(shè)置：也可以參見文本框“顏色表”,。

微控制器在函數(shù)“main()”的開始便被初始化?？撮T狗定時器被關(guān)閉,，可調(diào)系統(tǒng)時鐘的校準值被加載，定時器 A 模塊得到配置,，同 時多元輸入和輸出均被適當?shù)爻跏蓟?。主環(huán)路由兩個“while”塊組成。在第一個“while”塊中，顏色表指示器 LEDptr 增加,，其將導(dǎo)致 PWM 脈沖間隔不斷變化,，并由此生成不同的顏色。使用兩個嵌套的“for”環(huán)路來對這些顏色變化的總時間進行控制,。第一個“while”環(huán) 路運行到旋轉(zhuǎn)編碼報告其輸出中出現(xiàn)變化為止,。然后，第二個被寫成一個無限環(huán)路的“while”塊接過控制權(quán)：它根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼被轉(zhuǎn)換 的方向來增強或衰減顏色表指示器,。

光明的未來

印刷電路板允許實施更多的功能,，例如：專門針對 TI eZ430-RF2500 射頻模塊的芯片 (socket)。eZ430-RF2500 套件由兩個射頻模塊 供電,。（通過在射頻模塊的微控制器上使用測試引腳）,，其中的一個模塊可以適用于旋轉(zhuǎn)編碼器，從而創(chuàng)建一個到 LED 電路板的無 線鏈路,。

這里所說的電路板主要用于實驗和評估,。由于可以獲得 MSP430 源代碼，因此我們可以對其進行修改以用于其他項目,。我們還 可以在其他一些應(yīng)用中運用開關(guān)調(diào)節(jié)器：希望您能樂在其中,！

圖 5 用于構(gòu)建圖 3 和圖 4 中電路的印制電路板。有三個不同版本供您下載,，以支持不同類型的 LED,。

圖 6 和 Cree 公司的 LED 一起組裝的電路板散熱圖。左側(cè)：無散熱片,；右側(cè)：有散熱片,。