一种高亮度白光LED调光电路设计

 随着能源危机的到来，高效的照明技术得到人们广泛的关注。发光二极管LED（Light Emitting Ddiode）是利用半导体PN结或类似结构把电能转换成光能的器件，以其高效率、低功耗、低电压驱动、使用寿命长等优点，已在众多应用领域中得到普遍的应用，如各类消费电子产品——手机、PDA、液晶电视的背光光源等。高亮度LED是传统白炽灯的一种理想替代方案，因为前者的寿命和效率都比后者高得多，且不同于紧凑型荧光灯泡，这些LED能够在低温下工作。为提高LED照明电路的使用性能和适用范围，本文将介绍一种具成本优势的高亮度白光LED（HBLED）调光方法。

　　对于HBLD而言，在高照度工作条件下导通电压高达3～5 V，工作电流可达0.15～3 A。LED的发光亮度与流过LED正向电流的大小基本上成正比关系，所以LED应用的关键技术之一是提供与其特性相适应的电源或驱动电路。高亮度LED有两种基本的调光方法。第一种是PWM（脉冲宽度调制）调光方法，即在大于200 Hz的某些频率下以0％～100％的不同占空比来导通和关断LED。导通期间LED满电流工作，而关断期间LED上没有电流流过，可以保证色彩的一致性。第二种方法是控制流经LED串的电流量，这可能导致LED串的电压下降，并造成轻微的色差。不过如果观察调光器打开情况下工作的白炽灯，也会看到明显的色彩变化。

　　高亮度白光二极管一般采用恒流电源驱动。因为随着LED逐渐变热，其电压降将减小，而且若LED串由恒压电源供电的话，电源往往会持续提供过多的电流，使输出电压增大，直到电源达到电流限值或LED失效。脉宽调制方式是用较高的频率开关LED，开关频率超出人一般能够察觉的范围，给人一种LED总亮的假象，现在普遍采用脉宽调制方式调节LED的亮度，在某些应用中，调光比可达5 000：1，常用的LED驱动有降压型（Buck）、升压型（Boost）、升降压型（Buck～Boost）等3种。LM3402是一款由可控电流源衍生的降压型稳压器，输入电压范围涵盖整个汽车应用领域，内置MOS管最多可以驱动5颗LED，性价比高，且接受领域较广、线路简洁实用，是众多LED驱动IC中间的佼佼者。

　　1 系统结构

　　1.1 总体结构

　　由于单个HBLED的发光效率不能完全满足亮度要求，因此，需要用多个LED组成阵列，1个LM3402对5个高亮度发光二极管组成的串（HBLE-Ds）进行恒流驱动，接受1个微处理器P89LPC932的PWM脉宽调节控制，可实现无级调节，流过每个HBLEDs的电流约为120～350 mA。

　　1.2 人机界面

　　操作面板上有3个按钮（关闭、调亮和调暗按钮）和4个普通发光二极管指示灯。按下关闭按钮，将熄灭高亮度发光二极管串HBLEDs，再次按下此按钮，则可以回到原亮度显示状态，掉电或重启也可回到设定亮度状态；调亮和调暗按钮用于改变HBLEDs的亮度，对应4个指示灯，其中每个指示灯有亮暗2级指示，这样可以指示8挡亮度。

　　1.3 驱动电路

　　驱动电路是整个LED调光电路的核心，主要由1个微处理器P89LPC932和LM2402恒流稳压电路组成。LM3402是一款由可控电流源衍生的降压型稳压器，可驱动串联的大功率、高亮度发光二极管串，可以接受范围在*2V的输入电压。当使用引脚兼容的LM3402HV时，输入电压的上限可达到75V。按照需要对转换器的输出电压进行调节，以维持通过LED阵列的恒定电流水平。只要HBLEDs的组合前馈电压不超过Vo（MAX），则电路能保持任意数量的LED中的调节电流不变。图1为LM3402的典型应用电路示意图，其中RSNS为电流设定电阻，平均电流IF≈0.2／RSNS，RON取值与发光二极管串中的LED数量有关，5个以上LED时可取值300KΩ，经检测，恒流标称值为250mA时（RSNS=0.8 Ω），电流波动在±10 mA以内。

图1 LM3402的典型应用电路示意图

　　DIM1的逻辑是直接的，因此当DIM1端口为高电平时，LM3402会输出稳定的电流；当DIM1处为低电平时，禁止任何电流输出。所以对LM340 2的DIM1端口输入PWM信号，可对LED阵列进行调光，PWM信号的最大逻辑低电平应为0.8 V，最小逻辑高电平为2.2 V。将DIM1端口悬浮或者接至逻辑高电平，一旦输入达到6 V，LM3402就开始运作。

　　将OFF端口接地，从而将LM3402置于一个低功率关机状态（典型值为90μA）。在正常工作期间，该端口应始终保持在开路状态。

　　P89LPC932是由飞利浦生产的低功耗单片微处理器，电源电压3.3 V，可低功耗运行，适合于许多要求高集成度、低成本的场合。可以满足多方面的性能要求。P89LPC932采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2～4个时钟周期，6倍于标准80C51器件。P89LPC932集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目、电路板的面积以及系统的成本，其内部有2个定时器，可作为一个具有256个定时器时钟周期的PWM发生器使用。LED调光电路电气原理图如图2所示。

图2 LED调光电路电气原理图

　　2 程序设计

　　2.1 程序结构

　　控制器程序根据3个按钮的输入状态，实现开关或亮度调节，并将亮度状态在4个指示灯上显示出来。利用微处理器自身集成的EEPROM单元，可随时保存亮度状态n（PWM占空比）。主程序流程框图如图3所示。

图3 主程序流程框图

　　2.2 PWM发生

　　高亮度白光二极管串HBLEDs的电流主要通过对LM3402的DIM端口进行PWM调节，实际电流占设定电流值的比例取决于PWM的占空比duty cycle。如果PWM信号的频率正好落在200 Hz～20 kHz之间，白光LED驱动器周围的电感和输出电容就会产生人耳听得见的噪声，所以设计时要避免使用20 kHz以下低频段。

　　微处理器P89LPC932内部定时器TO／T1的PWM输出与计数输入和定时器触发输出占用相同的管脚，发生定时器溢出时自动触发端口输出。此功能通过AUXR1寄存器中的控制位ENT0和ENT1分别使能定时器0和1。该模式打开时，在首次定时器溢出前端口的输出为逻辑1。为了使该模式生效，必须清零C／T位以选择PCLK作为定时器的时钟源。定时器初始化设置参考程序如下：

　　其中占空比duty cycle=256-TH1，定时器1的溢出将使P1.2或P0.7端口发生翻转，因此输出频率为定时器1溢出速率的1／2。

　　2.3 节能模式

　　经检测，在同等照度要求的情况下，采用LED调光控制系统的功耗较白炽灯降低90％以上，当然为进一步降低能耗，节能方法的探究仍然具有十分重要的意义。在多数时间，HBLEDs可能处于熄灭状态，若控制系统处于待机状态或掉电状态，可将功耗降低到最低；或将OFF端口接地，也可将LM3402置于一个极低的低功率关机状态。将微处理器P89LPC932的电源控制寄存器PCONA设置为0xFF时，外部功能模块掉电；将电源控制寄存器PCON设置为03H时，可将微处理器处于完全掉电状态，只有在中断触发的时候，才能唤醒，随即给外部功能模块上电，微处理器开始工作。微处理器主要通过键盘中断唤醒，键盘中断参考程序如下：

　　3 结论

　　本文介绍了一种基于恒流驱动电路LM3402的LED调光控制系统，该系统由微处理器P89LPC932 PWM控制输出电压，用户可通过按钮设定亮度。由于采用了低功耗微处理器，并应用多种节能方法，使得该调光系统的功耗极低，能够适用于多数LED照明节能改造场合，正好符合低碳经济的发展需求。随着LED发光效率的不断提高，封装技术的改进，使用寿命的不断增加，以及生产成本的降低，再加上驱动电路性能的改善，HBLED在照明市场上的推广前景十分广阔。目前该技术已投入批量生产，取得良好的社会效益。