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(shí)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(jìn)行了研究，比較了各種常見的LED燈調(diào)光技術(shù)，提出了運(yùn)用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)設(shè)計(jì)多路PWM信號進(jìn)行LED調(diào)光的方法。結(jié)合直流電壓轉(zhuǎn)換(DC-DC)技術(shù)，運(yùn)用CMOS管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過按鍵輸入控制占空比。設(shè)計(jì)了硬件電路，運(yùn)用VHDL語言編寫程序，進(jìn)行實(shí)際電路的制作。構(gòu)建測試平臺進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)用FPGA技術(shù)產(chǎn)生多路PWM信號，結(jié)合CMOS驅(qū)動(dòng)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(qiáng)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(shí)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(dá)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(diǎn)。

結(jié)合微處理器進(jìn)行智能調(diào)光是LED調(diào)光技術(shù)的研究重點(diǎn)，文獻(xiàn)[3-6]研究通過單片機(jī)進(jìn)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(jìn)行研究的文獻(xiàn)仍較少，故研究其功耗意義重大。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 電路原理

采用大功率LED燈進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)，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(jìn)行研究，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)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(diǎn)。不同于單片機(jī)，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(gè)144個(gè)管腳的FPGA芯片，其I/O口有130多個(gè)，即可以產(chǎn)生130多個(gè)PWM信號。由于FPGA內(nèi)部的電路是并發(fā)運(yùn)行的，這些PWM信號運(yùn)行互不影響，可達(dá)到獨(dú)立運(yùn)行的效果，這對于多路LED燈的調(diào)光就顯得比較實(shí)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(jìn)行設(shè)計(jì)，該電路轉(zhuǎn)換效率高，省去了限流電阻耗電；同時(shí)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(gè)獨(dú)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(dòng)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(gè)LED燈集中在一起，顏色分別是紅、綠、藍(lán)，可以通過調(diào)節(jié)各個(gè)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(jì)相同的電路即可。通過四個(gè)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(jìn)行人機(jī)對話。LM2596進(jìn)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(jì)

電路采用VHDL語言進(jìn)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(jì)算機(jī)高級語言。VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)(或稱設(shè)計(jì)實(shí)體，可以是一個(gè)元件、一個(gè)電路模塊或一個(gè)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(shí)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(shí)際邏輯電路的工作過程，可以保證用VHDL語言設(shè)計(jì)的電路獨(dú)立工作、互不影響，可以產(chǎn)生多個(gè)PWM信號，且相互之間不受干擾[10]。軟件主要分為五個(gè)模塊，分別為：分頻模塊，用于對系統(tǒng)時(shí)鐘信號進(jìn)行分頻，產(chǎn)生各個(gè)模塊所需的時(shí)鐘；彈跳消除模塊，在按鍵時(shí)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(jìn)行掃描與處理，用于產(chǎn)生各路信號進(jìn)行占空比的設(shè)置，并進(jìn)行PWM信號輸出的啟?？刂?；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(jìn)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(jìn)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(jìn)行遞增或增減。由于FPGA芯片的工作頻率很高，達(dá)到百兆以上，所以占空比可以設(shè)得很精確，實(shí)現(xiàn)千萬分之一的變化。在本程序設(shè)計(jì)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(huì)對各路PWM信號產(chǎn)生影響，每路信號由系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行控制，并對各路PWM信號的相位進(jìn)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(jìn)行分頻，同時(shí)，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(shí)鐘為1 kHz；第一路信號低電平占9個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期、高電平占1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘信號，第二路信號高電平占6個(gè)時(shí)鐘周期，第三路信號高電平占8個(gè)時(shí)鐘周期；占空比顯示正確，相位顯示正確。由于信號的時(shí)延，在仿真圖中出現(xiàn)了一些毛刺信號，在實(shí)際的硬件電路中，該毛刺信號可以被濾除。

2.2 硬件測試

進(jìn)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(jìn)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?，可以產(chǎn)生不同顏色的光，達(dá)到調(diào)光與調(diào)色的目的。

對電源效率進(jìn)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?yàn)長ED的等效電阻是一個(gè)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(shí)，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(shí)，LED等效內(nèi)阻會(huì)變小，電流轉(zhuǎn)換效率將會(huì)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(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)LED兩端電壓為1.8 V時(shí)，將要有一個(gè)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(shí)，使用限流電阻分壓，能量使用效率將會(huì)是50%。當(dāng)LED兩端電壓為3.0 V時(shí)，使用限流電阻分壓，能量使用效率將會(huì)是60%。當(dāng)輸出電壓基本不變時(shí)，LED電流總數(shù)越高，效率將會(huì)有所增加，這些效率低于表格中對應(yīng)情況的效率。因?yàn)镈C-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(yùn)用DC-DC轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行降壓的能量使用效率要比單純使用限流電阻進(jìn)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(yùn)用FPGA技術(shù)，產(chǎn)生多路PWM信號。各路PWM信號獨(dú)立產(chǎn)生，占空比可調(diào)，相位可調(diào)，可以對于多路LED燈進(jìn)行調(diào)光。同時(shí)，運(yùn)用DC-DC技術(shù)，結(jié)合CMOS管設(shè)計(jì)了電路，并進(jìn)行了實(shí)際電路測試。測試結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用LM2596進(jìn)行降壓設(shè)計(jì)，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(diǎn)，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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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(xiàng)目(編號：PPZY2015A089)。

孫加存(1975—)，男， 2003年畢業(yè)于南京理工大學(xué)機(jī)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。