－Ｅ ，产ｉａｌ Ｔ业ｅｃ技ｈｎｏ术ｌｏ革ｇｙ命Ｒｅ、，。 ；。 编者按：环境和能源是当今世界各国都要面对的两大问题。而这两者又是密不可分的。怎样 才能节能同时又达到环保要求，是我们今后发展过程中一定要协调和解决的问题，新型能源的开 发和利用是我们缓解环境和能源问题的一个有效手段。 ｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＬＥＤ Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｌ Ｅ Ｄ在产品创新 应用中的技术要素 口文，王鸿龙柴慧尉楼鹏飞 摘要：本文介绍ＴＬＥＤ在应用中常用的各种技术要素，以及如何利用各要素在创新产品中灵活应用。 关键词ＬＥＤ驱动调光彩色控制ＤＭＸ５１ ２ 引言 ＬＥＤ的配置、驱动方式、亮度控制、彩 非常大，另外这种电路需要电源提供较 色控制、通讯控制以及和各类传感器结 高的电流。 Ｌ一 合使用等方面的技术。通过各种技术要 串联／并联组合：把ＬＥＤ连接成串联 素的灵活应用，ＬＥＤ在创新型产品应用 ／并联组合的形式，最大的好处是可以大 中的将发挥着重要的作用。 幅降低因ＶＦ不一致造成的颜色和亮度不 同的影响，需要注意的是组成阵列形式 １．ＬＥＤ的配置方式 或ＬＥＤ个数发生变化时，应及时调整限 在驱动ＬＥＤ时有三种基本配置： 流电阻。因为在电路中配置适当的限流 串联：串联电路就是将多个ＬＥＤ的 电阻目的是为了能有效控制电路中的电 正极对负极连接成串，这种配置一般都 流。当然，串联／并联组合电路会使输出 串限流电阻，可以保证各ＬＥＤ的颜色和亮 电流随输入电压和环境温度等因素而发 度达到最接近的匹配度，缺点是这种电路 生显着的变化。这种技术用于驱动一些 需要电源提供较高的电压。这方面的应用 显示器的小电流白色ＬＥＤ背光灯。 实例包括闪光灯和汽车尾灯／刹车灯。 并联：用大于单个ＬＥＤ的最大正向 ２．ＬＥＤ驱动控制技术 电压的输入电压驱动多个并联的ＬＥＤ， 驱动白光ＬＥＤ的主要目标是产生正 ＬＥＤ应用产品中的技术要素 这种模式ＬＥＤ的分档是非常重要的，因 向电流流过器件，比较理想的解决方案 为在并联配置中，由于ＬＥＤ之间的ＶＦ不 是采用恒流源驱动。它能避免白光ＬＥＤ ＬＥＤ应用产品中的技术要素涉及到 同，色彩和／或亮度之间不匹配的可能性 正向电压改变而造成的电流变动，通过 皿珊皿０９／２００８ ｆ ＷＷＷ．ＣＦＩ—ｚｇｚｍ ｃｏｒｎ ＬＥ Ｄ￣ｏｏ ： ｉ产ａｌ Ｔ业ｅｃ技ｈｎｏ术ｌｏ革ｇｙ命Ｒｅ 。 调节电阻值可以精确设定流过白光ＬＥＤ 的电流（１ＬＥＤ＝ＶＦＢ／Ｒ）。即使用可控 技术，能够使得ＭＯＳＦＥＴ管运行在更高 的频率下，有效的缓解了电容所受到的 ４．ＬＥＤ彩色控制技术 三基色在ＣｌＥ色品坐标系中，构成一 个三角形，在三角形内的光都可以由这三 制的恒定正向电流，就能提供可控制的 压力。ｄｉｇｉｔａｌ ＰＷＭ适用于大电流密度， 恒定显示亮度。下面就介绍几种采用不 其响应速度很快，但回路增益仍受到限 基色光混合得到，调整三基色比例就可 同技术控制ＬＥＤ驱动的控制模式。 制，目前成本相对较高。因此其在ＬＥＤ 以混色可产生各种色彩的光。在装饰照 ＰＦＭ是通过调节脉冲频率（即开关 恒流驱动上的应用仍需进一步研究。 明中，ＬＥＤ彩色控制可采用高亮度红、 管的工作频率）的方法实现稳压输出的 技术。它的脉 中宽度固定而内部震荡频 ＦＰＷＭ（强制的脉宽调制）是一种 绿、蓝ＬＥＤ作为光源，采用嵌入式微控 恒流输出为基础的控制方式，它的工作 制器，按占空Ｌ：ＬＰＷＭ对若干只ＬＥＤ的发 率是变化的，所以滤波较ＰＷＭ困难。但 是ＰＦＭ受限于输出功率，只能提供较小 的电流。因而在输出功率要求低，静态 功耗较低场合可采用ＰＦＭ方式控制。 ＰｗＭ的原理就是在输入电压、内部 参数及外接负载变化的情况下，控制电 路通过被控制信号与基准信号的差值进 行闭环反馈，调节集成电路内部开关器 件的导通脉冲宽度，使得输出电压或电 流等被控制信号稳定。ＰＷＭ的开关频率 一般为恒定值，所以比较容易滤波。但 是ＰＷＭ由于误差放大器的影响，回路增 益及响应速度受到限制，尤其是回路增 益低。目前多数产品都应用这种方案， 但普遍存在恒流问题。在要求输出功率 较大而输出噪声较低的场合可采用ＰＷＭ 方式控制。 Ｃｈａ ｒｇｅ Ｐｕｍ Ｐ电荷泵解决方案是 利用分立电容将电源从输入端送至输 出端，整个过程不需要使用任何电感。 ｃｈａ ｒｇｅ Ｐｕｍｐ主要缺点是只能提供有 限的电压输出范围（输出一般不会超过 ２倍输入电压），原因是当多级Ｃｈａ ｒｇｅ Ｐｕｍ ｐ级联时，其效率下降很明显。用 ｃｈａｒｇｅ ｐｕｍ ｐ驱动一个以上的白光ＬＥＤ 时，必须采用并联驱动的方式，因而只 适用于输入输出电压相差不大的应用。 采用Ｄｉｇｉｔａｌ ＰＷＭ（数字脉宽调制） 通过对独立数字控制环路和相位的数字 化管理，实现对ＤＣ／ＤＣ负载点电源转换 进行监测、控制与管理，以提供稳定的 电源，减少传统供电模组的电压波幅造 成系统的不稳定，而且Ｄｉｇｉｔａｌ ＰＷＭ并不 需要采用传统较高量的电解电容用作储 波及滤波作用。Ｄｉｇｉｔａｌ ＰＷＭ数字控制 原理是无论输出负载如何变化总是以一 种固定频率工作，高＇￣［ＵＦＥＴ在一个时钟 周期打开，使电流流过电感，电感电流 上升产生通过感抗的电压降，这个压降 通过电流感应放大器放大，来自电流感 应放大器的电压被加到ＰＷＭ比较器输 入端，和误差放大器的控制端作比较， 一旦电流感应信号达到这个控制电压， ＰＷＭ比较器就会重新启动关闭高侧ＦＥＴ 开关的逻辑驱动电路，低侧的ＦＥＴ会在 延迟一段时间后打开。在轻负载下工作 时，为了维持固定频率，电感电流必 须按照反方向流过低侧的ＦＥＴ。ＦＰＷＭ 技术驱动芯片目前只见到ＭＡＸＩ Ｍ和 Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏ ｒ的芯片使用。 ３．ＬＥＤ调光 ＬＥＤ的亮度调节，一般采用ＰＷＭ调 节，即用周期为Ｔ的固定频率，通过脉 中 宽度调节，当脉冲占空比高时，ＬＥＤ的 亮亮度就高；占空比低时，ＬＥＤ亮度变 暗。由于ＬＥＤ的电流／光通量曲线并非 线性，单纯调节电流并不能得到线性的 光照效果，而ＰＷＭ方式则可以更好的得 到线性的结果。同Ｂ－Ｊ－ＬＥＤ的色温随驱动 电流变化，降低电流之后有可能会使得 色温偏离需求，ＰＷＭ方式下ＬＥＤ的开启 状态的电流为额定的工作电流，能够达 到色温的要求，则最终ＬＥＤ亮度高低不 会使色温发生漂移。 通常开关控制器中集成了使能／ＥＮ 控制管脚，通过外部单片机或ＰＷＭ产生 电路能方便地控制ＬＥＤ输出亮度。手机 背光、ＬＣＤ显示屏背光、ＬＥＤ照明等亮 度的控制基本采用上述的方法。 光亮度实现独立的数字化控制，使其产 生全色彩动态变化效果。 将红、绿、蓝ＬＥＤ）ｆ￣．据配色要求按 一定比例构成一个发光单元，每个发光 单元至少具备一只红光ＬＥＤ、一只绿光 ＬＥＤ、一只蓝光ＬＥＤ．经紧密排列后形 成。控制电路可独立控制每个发光单元 中的三种发光二极管的亮度级别，也可 控制每个发光单元中的红、绿蓝三种颜 色所占的比例，使每个发光单元调配出 多种不同的色彩。若在同－－Ｂ１－间内控制 不同的发光单元显示不同的颜色，就可 产生动态的图案。 这种电路通常采用微控制和多个 ＬＥＤ驱动器（８位串行移位寄存器）组 成，微控制器连续发送时钟、数据、和 使能信号，从而使各个ＬＥＤ受到连续控 制，显示不同的颜色及信息。例如，广 告信息屏就采用这样的技术实现图像、 文字、色彩等变化。 ５．遵循ＤＭＸ５１ ２通讯协议的ＬＥＤ控 制技术 计算机通讯技术应用于ＬＥＤ控制是 今后灯光控制的技术发展方向，数字灯 光控制台就是计算机技术和灯光控制技 术结合的典型产品。一台数字灯光控制 台就能控制不同灯具生产厂家的产品协 同工作，如舞台上的电脑效果灯、换色 灯、追光灯等。这些厂家都是遵循了美 国剧院技术协会制定的ＤＭＸ５１ ２协议。 采用ＤＭＸ５１ ２协议的ＬＥＤ灯能够完成多种 灯光效果，如渐变色、变色、循环、追 逐、流水、调光、爆闪等绚烂的光效。 ＤＭＸ５１ ２是基于工业ＲＳ４８５总线标 Ｌ∈Ｄ ｉ产ａｌ Ｔ业ｅｃ技ｈｎｏ术ｌｏ翰ｇｙ Ｒｅ 。 表１ 描述 最小 最大 典型 单位 中止标志 ９２ １７６ ｕＳｅｃ 中止标志后 １２ ＜１。０００，０００ ｕＳｅＣ ＢＩＴ宽度 ３．９２ ４．０２ ４ ｕＳｅｃ ＤＭＸ５１ ２数据包 １２Ｏ４ １。０００，０００ ｕＳｅｏ 准串行传输为基础的，数据传输速率为 物理及化学方面的基本量。传感器是 ２５０Ｋｂｉｔ／ｓ每个发送器发送５１ ２个８５ 一种能把物理量或化学量转变成便于 调光值，其调光值范围是０－２５５，其中 利用的电信号的器件。国际电工委员 Ｏ代表灯是关的，２５５表示灯最亮。 会（１ＥＣ：ｌｎｔｅ ｒｎａｔｉＯｎａＩ ＥＩｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ＤＭＸ５１ ２系统包括只有一个发送器 Ｃｏｍ ｍ ｉｔｔｅｅ）的定义为： “传感器是测量 和多个接收端。每个接收端，链接到 系统中的一种前置部件，它将输入变量 ＤＭＸ５１ ２的线上，接收端地址为事先设 转换成可供测量的信号”。 置好的５１ ２个通道中的一个。接收端模 模拟信号放大器将传感器采集到的 块微处理器解析出符合本地址的调光 微弱电信号进行放大后送给模数转化器 值，用该值产生一个ＰＷＭ信号控￣ＪＬＥＤ 件，模拟的信号转换为微处理器能够处 灯输出亮度。三路ＰＷＭ信号分别控制 理的数字信号，根据某种算法输出ＬＥＤ 红、绿、蓝三种颜色的ＬＥＤ，可以产生 的控制信号，用ＬＥＤ的色度、亮度等信 出１ ６万种色彩光。 号表达传感器采集的物理信号的强弱。 ＤＭＸ５１ ２的协议允许发送端连续重 这种技术的应用使原本让人不易直接得 复发送数据（至少在一秒中），传输时 知的信息变的一目了然，同时也给用户 序如上图１和表１所示。 愉快的使用体验。 以ＤＭＸ５１ ２通讯协议构建的ＬＥＤ灯 各种类型的传感器和ＬＥＤ控制技术 光系统，已广泛使用在建筑照明、舞台 的结合，能创造出生动活泼，丰富有 照明、酒吧情调氛围照明等场合。智能 趣，表达直观的信息产品。一只装满水 化的控制方式，赋予ＬＥＤ变换多姿的色 的杯子，通常人们要用手摸、品尝才能 彩，装点着人们的生活环境。 知道水的冷热，有些人不ＪＪ＼，ｂ还会被烫 伤。温度传感器和ＬＥＤ的结合能直观的 ６与传感器的组合控制技术 表达出水的温度是否适合饮用。温度传 ＬＥＤ作为显示的器件，能直观的 感器采集信号，由小型的微处理器输出 表达某种信息，这种信息包括了各类 ＰＷＭ信号控制三基色ＬＥＤ的色度，ＬＥＤ 输出红色表示水温过高，蓝色表示水温 较低，混色后中间色度代表了适合的温 度，使用者看～下杯子的颜色便能判断 水温是否过高。与此原理相同的ＬＥＤ水 龙头能检测到～旦有水流出，ＬＥＤ灯就 会自动亮起，使得流出的水看起来就像 水晶一般晶莹剔透。汽车仪表盘中ＬＥＤ 与速度传感器结合能用彩虹光表示车速 的快慢，速度指示器由绿色渐变到橙色 说明车速正在提高，变成红色时告知司 机车速太快危险。在太阳能ＬＥＤ灯中广 范应用光敏传感器，它检测自然光线的 强弱，调整开启ＬＥＤ的时间，达到节省 能耗的目的。增加红外热释电传感器， 当人靠近目标物体时，自动开启ＬＥＤ 灯，也是节电的一种方式。 总结 本文针对ＬＥＤ在应用中常用的技术 要素进行了总结，并列举了一些ＬＥＤ产 品实例，以及它们主要采用哪类技术要 素进行设计。根据人性化的需求，灵活 应用各种技术要素，ＬＥＤ在创新型的产 品应用中会有更广阔的天地。目 参考文献 【１】周志敏等编著．ＬＥ０驱动电路设计与 应用【Ｍ］．北京：人民邮电出版社． ［２】Ｎｅｅｒａｊ Ｌａｌ Ｃｈ ｒｉｓ Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ Ｃｒａｉｇ Ｖａｒｇａ ａｎｄ Ｊｏｎ Ｃｒｏｎｋ Ｔｈｅ Ａｒｔ ｏｆ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ ＬＥＤ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆ Ｐｒｏｄｕｃｔ ｗｏｒｌｄ ２００７．１ Ｏ． ［３】ＭｉｃｒｏＣｈｉｐ ＤＡＴＡＳＨＥＥＴ ＬＥＤ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ［Ｚ］＿ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ．ｃｏｍ． 【４］褚以人．ＬＥＤ恒流驱动与不同控制模 式的比较．ＷＷＷ．ｉｃｅｍｂｅｄ．ｃｏｍ／ｉｎｆｏ一１ ７８４９． ｈｔｍ
