基于HSI模型的全彩LED驱动电路设计

摘要：为了改善LED模组的照明质量，实现对LED模组色温的调节，通过分析LED模组的驱动电路技术，提出一种基于HSI模型的全彩LED驱动电路的设计方案。该驱动电路利用三色比例调节达到所需要的颜色，并采用PID调节方式，以保证调节的稳定。另外还可以调节输出光的色温和光强，达到了良好的照明效果。
关键词：HSI模型；驱动电路；全彩LED；PID调节

0 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。

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：
   
    所以集电极电流为：
   
    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：
   
    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：
   
    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。

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。

    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。

    输出的额定电流由以下公式得到：
   
    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：
   
    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：
   
    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。

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。