低成本三基色大功率LED驅動控制方案設計

張修紅，劉廷章，閆 斌，金碧瑤，周壯麗

（1.上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072；2.上海亮碩光電子科技有限公司 上海 201203）

三基色混色需要幾個條件，一是分別發出紅、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。現代LED制造工藝的發展，分別發出單色光的LED不是難題，如何單獨控制每路LED也很好實現，只是控制效果和體積成本等方面的差別。由于人們對品質的追求，驅動控制方案層出不窮，提出了通過獨立控制PWM來驅動三路大功率LED的方案[2－3]，來實現三基色的混色。在Buck（降壓電路）的基礎上，利用恒流控制芯片的特性，將開關管與LED串并聯，實現對LED串的控制。LED控制部分拓撲結構僅需要幾個簡單的三極管及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，一是驅動電源的設計，包括AC/DC(Alternating Current/Direct Current)驅動電源和DC/DC驅動電源及LED調節控制，該部分實現系統供電及LED的驅動；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驅動電源

驅動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，交流電壓經過整流橋后輸出正弦半波直流脈動電壓，通過R5、R6給芯片VCC腳一個啟動電壓，芯片開始工作。芯片正常工作時，由變壓器T2的輔助繞組供電，芯片GD腳輸出PWM波控制開關Q1的通斷[4－5]。直流輸出電壓VOUT1作為主反饋，經PC817輸入芯片的INV腳，作為乘法器的輸入。同時整流橋后端電壓經電阻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，原邊繞組電流增大，經電阻R18在芯片CS腳產生電壓與正弦參考電壓作比較，當CS電壓達到正弦幅值時，Q1截止。當Q1截止時，原邊繞組電感極性反轉，輔助繞組極性為正電位，經電阻R7在ZCD腳產生電壓，以檢測低壓點（0.7 V），達到此值，芯片GD腳輸出高電平，使Q1導通，實現準諧振。

1.2 DC/DC驅動電源及LED調節控制電路

ZXLD1362是一個連續模式降壓型LED驅動器，內置MOSFET，可驅動最大1A電流，具有電流檢測功能，可實現恒流。DC/DC驅動電源電路原理圖如圖2，當電源啟動時，由于電感L2的存在，電流會緩慢變大，芯片SET腳檢測電壓值達到0.1 V時，關斷內部MOSFET，此時電感極性反轉，電流回路通過肖特基二極管D20續流，電流開始下降，當SET腳電壓下降至0.01V時，內部MOSFET開通，這樣周而復始循環。每個LED的通過電流都是恒定的300 mA，當由PWM信號控制LED旁路MOSFET的通斷時，就形成LED的通過，3種色彩LED的不同通斷組合[6-7]，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個三極管和一個功率MOSFET管，根據圖2中PWM1對應的一套電路來分析。三極管Q1接收到PWM1信號，當其為高電平時，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，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。

圖2 DC/DC驅動電源電路Fig.2 DC/DCdriving circuit

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，從而產生不同占空比的PWM。首先自定義數據通信協議，通信中的數據采用數據包的形式發送與接收，一個數據包稱為一幀數據。一幀數據由以下幾個部分組成：幀頭、地址信息、數據類型、數據長度、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，通過地址信息的不同來識別不同的通信終端，統一定義為0x00，這里定義作為預留。數據類型、數據長度和數據塊是主要的數據部分，數據類型可以標識后面緊接著的命令還是數據，數據長度用于指示有效數據的個數。校驗碼則用來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，當上位機通過串口發送指令，單片機解析指令，通過RB5、RB3、RB0輸出不同的 PWM信號。

表1 幀格式Tab.1 Frame format

表2 命令格式Tab.2 Command format

軟件系統框圖如圖3。系統上電后，程序首先進行初始化，接著打開系統開關狀態的監聽，一旦接收到關機命令，即輸出關機，結束系統運行。程序接下來執行異常狀態的偵測，包括數據是否完全初始化成功、狀態變量的賦值、死循環等，偵測到異常狀態，則做自我修復，否則重新進行初始化。接著打開命令接收監聽，對接收到的命令進行解析，如果是控制LED命令則進入中斷，使能PWM輸出相應數據，而后恢復中斷，繼續監聽下一個狀態量的到來。進入中斷服務程序后，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產生信號，否則繼續監聽中斷狀態。

圖3 軟件系統框圖Fig.3 Software block

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[8-9]。筆者通過單片機接收上位機發來的串口數據，便是x、y值，再通過ZLL協議的算法來對x、y值進行轉換，來獲得R’、G’、B’值，從而得到調節三路PWM的值。變換過程如圖4。

圖4 RGB轉換流程圖Fig.4 RGB convertion flow chart

2.2.1 xyY轉化為XYZ

根據CIE1931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，有助于分析各種光源。不同的標準光源滿足不同的應用場合，根據CIE1931的規定，幾種標準光源的數值如表3。

表3 標準光源Tab.3 Standard illuminant

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進行變換，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，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性關系的，而是呈指數型關系。在低照度下，人眼更容易分辨出亮度的變化，隨著照度的增加，人眼不易分辨出亮度的變化。不過，這可以通過gamma校正來解決，所謂gamma校正是對輸入圖像灰度值進行的非線性操作，使輸出圖像灰度值與輸入圖像灰度值呈指數關系：

V out、V in指輸入輸出，A是變換系數，γ是 gamma校正系數。

RGB與 R’G’B’的轉換公式如下

3 實驗結果及分析

實驗測得單片機輸出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，以便觀察，從圖中可以看出，當其為高電平時，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，對應的LED電流大約為-50 mA，這是由電路續流產生的，對LED的工作沒有影響。電流的輪換速率達到微秒級，具有很小的上升與下降時間，而且隨著PWM的電壓變化，電流也實時地變化，完全可以自由控制導通時間及占空比。每一路的通斷都是由相同頻率的PWM控制的，在調配各個LED燈串的導通時間比例時，很有優勢，實際測試下來與圖5中的結果完全一致。

圖5 LED電流波形Fig.5 LEDcurrent waveform

4 結 論

本文通過對三基色LED驅動電源及色彩轉換算法的研究，設計了一套驅動電路系統控制方案，通過巧妙的設計，僅使用幾個簡單的三極管、MOSFET管等元件來實現LED的控制。實驗表明，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。該控制方案的實現較為簡單，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。

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