高效多路LED調(diào)光技術(shù)及電路實現(xiàn)

孫加存 李公義

(蘇州市職業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

高效多路LED調(diào)光技術(shù)及電路實現(xiàn)

孫加存 李公義

(蘇州市職業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

對LED燈的發(fā)光原理進行了研究，比較了各種常見的LED燈調(diào)光技術(shù)，提出了運用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)設(shè)計多路PWM信號進行LED調(diào)光的方法。結(jié)合直流電壓轉(zhuǎn)換(DC-DC)技術(shù)，運用CMOS管進行驅(qū)動，通過按鍵輸入控制占空比。設(shè)計了硬件電路，運用VHDL語言編寫程序，進行實際電路的制作。構(gòu)建測試平臺進行了試驗，試驗結(jié)果表明，運用FPGA技術(shù)產(chǎn)生多路PWM信號，結(jié)合CMOS驅(qū)動技術(shù)、DC-DC技術(shù)，可以極大地提高電能利用率。

LED 調(diào)光 節(jié)能 電能損耗 占空比 電源效率 現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) PWM DC-DC VHDL

0 引言

LED燈被稱為繼白熾燈、 熒光燈和高強度氣體燈之后的第4代光源[1]。LED燈的調(diào)光技術(shù)特別關(guān)鍵，目前主要有模擬調(diào)光技術(shù)、可控硅調(diào)光技術(shù)以及脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)調(diào)光技術(shù)[2]。模擬調(diào)光技術(shù)等效內(nèi)阻隨著電流的減少而顯著增大，功耗較大，電路復(fù)雜?？煽毓枵{(diào)光技術(shù)電路簡單實用，調(diào)光過程敏感，調(diào)光精度不高。PWM調(diào)光技術(shù)通過設(shè)置適當(dāng)?shù)恼伎毡瓤刂芁ED燈的平均電流，從而達到調(diào)光的目的，其具有響應(yīng)速度快、調(diào)光精確的優(yōu)點。

結(jié)合微處理器進行智能調(diào)光是LED調(diào)光技術(shù)的研究重點，文獻[3-6]研究通過單片機進行調(diào)光，但該方法不適用于LED燈路數(shù)較多的情況。目前，針對調(diào)光電路的功耗進行研究的文獻仍較少，故研究其功耗意義重大。

1 電路設(shè)計

1.1 電路原理

采用大功率LED燈進行硬件電路設(shè)計，通過控制流過LED燈的平均電流控制其亮度。設(shè)控制LED燈通斷的PWM信號的占空比為D，則流過LED的平均電流與D比成正比，其大小可由式(1)決定[7]：

IPWM=D×ILED

(1)

式中：IPWM為通過LED的平均電流;D為PWM信號占空比;ILED為LED的額定電流。通過調(diào)節(jié)D，控制流過LED的平均電流。

采用現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)作為微處理器，對LED的調(diào)光技術(shù)進行研究，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路，F(xiàn)PGA既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。不同于單片機，F(xiàn)PGA作為可重構(gòu)的硬件結(jié)構(gòu)，其I/O口都可以作為PWM信號的輸出口。所以對于一個144個管腳的FPGA芯片，其I/O口有130多個，即可以產(chǎn)生130多個PWM信號。由于FPGA內(nèi)部的電路是并發(fā)運行的，這些PWM信號運行互不影響，可達到獨立運行的效果，這對于多路LED燈的調(diào)光就顯得比較實用。目前，F(xiàn)PGA芯片的工作電壓很小，一般為1.2 V，其本身的功耗也比較低[8]。

電路采用2N-7000開關(guān)型的低功耗CMOS管。CMOS管有兩種用途，分別為放大與開關(guān)。本電路主要完成PWM信號對LED燈的通斷控制，故選擇開關(guān)型的CMOS管。直流電壓轉(zhuǎn)換(DC-DC)電路采用LM2596芯片進行設(shè)計，該電路轉(zhuǎn)換效率高，省去了限流電阻耗電；同時對于不同功率的LED，可以通過調(diào)節(jié)電阻來調(diào)節(jié)輸出電壓。FPGA采用EP1C3T144C8，系統(tǒng)電源采用5 V的電源。主要電路模塊分別為FPGA電路、四個獨立按鍵電路、LM2596電壓調(diào)整電路、液晶顯示電路及三路CMOS管LED驅(qū)動電路。FPGA輸出三路PWM信號，控制CMOS管的通斷，PWM信號的占空比可調(diào)，三個LED燈集中在一起，顏色分別是紅、綠、藍，可以通過調(diào)節(jié)各個LED燈的亮度，產(chǎn)生不同顏色的光。如果需要多路PWM信號輸出，只要再設(shè)計相同的電路即可。通過四個按鍵設(shè)置各路的PWM信號的占空比，LCD1602顯示路別及對應(yīng)路數(shù)PWM信號的占空比，并進行人機對話。LM2596進行DC-DC轉(zhuǎn)換，可根據(jù)不同型號的LED燈，調(diào)整輸出的電壓值[9]。

1.2 VHDL程序設(shè)計

電路采用VHDL語言進行編寫。VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語句外，VHDL的語言形式和描述風(fēng)格與句法類似于一般的計算機高級語言。VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點是將一項工程設(shè)計(或稱設(shè)計實體，可以是一個元件、一個電路模塊或一個系統(tǒng))分成外部(或稱可視部分)和內(nèi)部(或稱不可視部分)，完成實體的內(nèi)部功能和算法描述。幾乎所有的高級語言的執(zhí)行都是按順序的，而VHDL語言執(zhí)行在總體上是并行的。這種特性符合實際邏輯電路的工作過程，可以保證用VHDL語言設(shè)計的電路獨立工作、互不影響，可以產(chǎn)生多個PWM信號，且相互之間不受干擾[10]。軟件主要分為五個模塊，分別為：分頻模塊，用于對系統(tǒng)時鐘信號進行分頻，產(chǎn)生各個模塊所需的時鐘；彈跳消除模塊，在按鍵時消除鍵盤彈跳信號，通過軟件消除干擾；鍵盤模塊，對按鍵信號進行掃描與處理，用于產(chǎn)生各路信號進行占空比的設(shè)置，并進行PWM信號輸出的啟停控制；LCD顯示模塊，用于顯示相關(guān)信息，比如占空比、路數(shù)等；控制模塊，用于產(chǎn)生系統(tǒng)控制信號，進行各模塊的控制及產(chǎn)生PWM信號。

2 程序仿真與硬件測試

2.1 程序仿真

通過QUARTUSII軟件對信號進行仿真，程序中PWM信號占空比最小分辨率為1%，即通過按鍵可以對占空比以1%為單位進行遞增或增減。由于FPGA芯片的工作頻率很高，達到百兆以上，所以占空比可以設(shè)得很精確，實現(xiàn)千萬分之一的變化。在本程序設(shè)計中，將最小間隔設(shè)為1%。由于VHDL程序執(zhí)行是并發(fā)執(zhí)行的，不會對各路PWM信號產(chǎn)生影響，每路信號由系統(tǒng)時鐘進行控制，并對各路PWM信號的相位進行設(shè)置。在本仿真中，為了使仿真效果更明顯，沒有對系統(tǒng)信號進行分頻，同時，占空比的間隔設(shè)為10%，第一路信號占空比為20%，第二路信號占空比為60%，第三路信號占空比為80%。在仿真圖形中，系統(tǒng)時鐘為1 kHz；第一路信號低電平占9個系統(tǒng)時鐘周期、高電平占1個系統(tǒng)時鐘信號，第二路信號高電平占6個時鐘周期，第三路信號高電平占8個時鐘周期；占空比顯示正確，相位顯示正確。由于信號的時延，在仿真圖中出現(xiàn)了一些毛刺信號，在實際的硬件電路中，該毛刺信號可以被濾除。

2.2 硬件測試

進行硬件電路焊接，用雙通道數(shù)據(jù)采集卡對由FPFA產(chǎn)生的PWM信號進行測試，分別測試占空比為20%、60%和80%的圖形，從測試波形看，波形狀況良好，占空比正確，沒有毛刺信號。通過鍵盤可以設(shè)置占空比值，并可目測出LED燈的亮度變化，通過改變?nèi)沸盘柕牟煌伎毡龋梢援a(chǎn)生不同顏色的光，達到調(diào)光與調(diào)色的目的。

對電源效率進行測試，主要考慮電源提供的電能有多少可以用在LED燈上。FPGA芯片與LCD所耗的電能基本不變，這里主要測試電源供能與LED燈耗能之間的關(guān)系，調(diào)節(jié)LM2596的輸出電壓。因為LED的等效電阻是一個非線性器件，其值隨著兩端電壓值的變化而變化。當(dāng)LM2596輸出電壓保持不變時，LED的等效內(nèi)阻也就固定不變，系統(tǒng)電壓固定為5 V，用萬用表測試電路圖中LM2596的IN管腳的輸入電流，則可以算出電源給LED燈提供的功率；檢測LED電路兩邊的電壓與LED流過的平均電流的數(shù)值，可以算出LED燈消耗的功率，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，在DC-DC轉(zhuǎn)換電路中，當(dāng)輸出的電壓越高時，LED等效內(nèi)阻會變小，電流轉(zhuǎn)換效率將會提高。如果沒用DC-DC轉(zhuǎn)換電路，僅考慮一路PWM信號控制，可采用限流電阻進行設(shè)計。當(dāng)LED兩端電壓為1.8 V時，將要有一個限流電阻，其分壓值為5 V-1.8 V=3.2 V，則LED燈消耗的功率與電源提供的功率比值(能量使用效率)為36%。當(dāng)LED兩端電壓為2.5 V時，使用限流電阻分壓，能量使用效率將會是50%。當(dāng)LED兩端電壓為3.0 V時，使用限流電阻分壓，能量使用效率將會是60%。當(dāng)輸出電壓基本不變時，LED電流總數(shù)越高，效率將會有所增加，這些效率低于表格中對應(yīng)情況的效率。因為DC-DC轉(zhuǎn)換電路的消耗的功率基本不變，隨著輸出電壓的升高，電能使用效率也有所增加。通過以上分析可知，運用DC-DC轉(zhuǎn)換電路進行降壓的能量使用效率要比單純使用限流電阻進行分壓更高。

表1 測試數(shù)據(jù)表Tab.1 Test data sheet

3 結(jié)束語

本文研究了LED的調(diào)光技術(shù)，運用FPGA技術(shù)，產(chǎn)生多路PWM信號。各路PWM信號獨立產(chǎn)生，占空比可調(diào)，相位可調(diào)，可以對于多路LED燈進行調(diào)光。同時，運用DC-DC技術(shù)，結(jié)合CMOS管設(shè)計了電路，并進行了實際電路測試。測試結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)的設(shè)計方法，運用LM2596進行降壓設(shè)計，可以增加LED燈的能量利用率。LED燈具有節(jié)能、長壽、環(huán)保、安全等特點，本文的研究成果可以為多路LED燈的調(diào)光及減少電能損耗提供參考。

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[10]孫加存,王鵬,陶智福,等.電子設(shè)計自動化[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2008:25-52.

High Efficient LED Dimming Technology and Circuit Implementation

The luminescence principle of LED lamp is studied,and various common dimming technologies of LED lamp are compared,the dimming method using multi-channel PWM signals designed by FPGA is proposed.Combining with the DC-DC conversion technology and CMOS driving technology,the duty ratio is controlled by key input.The hardware circuitry is designed; the program is written by using VHDL language; the actual circuit is made.Experimental platform is setup for testing. The test results show that using FPGA technology for producing multi-channel PWM signals,and combing with CMOS driving technology and DC-DC conversion technology can greatly increase the utilization efficiency of electrical energy.

LED Dimming Energy saving Electric power loss Duty ratio Power efficiency Field-programmable gate array(FPGA) PWM DC-DC VHDL

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程基金資助項目(編號：PPZY2015A089)。

孫加存(1975—)，男， 2003年畢業(yè)于南京理工大學(xué)機電工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，副教授；主要從事系統(tǒng)集成技術(shù)及新型能源開發(fā)利用技術(shù)的研究。

TH-3;TP272

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612007

修改稿收到日期：2016-02-28。