基于HSI模型驅(qū)動(dòng)控制的全彩LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，led）是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光，隨著LED的應(yīng)用越來越廣，對(duì)于其驅(qū)動(dòng)電路要求也越來越高?，F(xiàn)在大多數(shù)場(chǎng)合需要采用恒流輸出的開關(guān)電源，對(duì)于全彩LED燈而言，采用傳統(tǒng)的RGB分別驅(qū)動(dòng)在面對(duì)既要調(diào)色溫又要調(diào)節(jié)亮度時(shí)候會(huì)有明顯的缺陷，基于這點(diǎn)，通過改良HSI模型，設(shè)計(jì)了這款適合與全彩LED的驅(qū)動(dòng)電路。傳統(tǒng)的RGB模型需要R，G，B分別調(diào)節(jié)，而HSI模型主要將亮度和色度分開，通過H，S，I三個(gè)參數(shù)分別調(diào)節(jié)，H（色度），S（飽和度），I（亮度）。HIS模型下的驅(qū)動(dòng)電路通過單片機(jī)控制總線驅(qū)動(dòng)電流來限定I參數(shù)（亮度），通過R，G，B三端反饋調(diào)節(jié)R，G，B的綜合比例（H參數(shù)），經(jīng)由光線傳感器獲取光亮度的飽和程度S參數(shù)，達(dá)到驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)的目的。

1 總體設(shè)計(jì)

圖1為HIS模型下全彩LED驅(qū)動(dòng)電路的總體設(shè)計(jì)。硬件部分采用恒流驅(qū)動(dòng)芯片PT4115，采用總一分的方式進(jìn)行RGB驅(qū)動(dòng)，通過采樣電路獲取R，G，B三路電流信號(hào)反饋，用來調(diào)節(jié)R，G，B的比例。軟件采用STC系列單片機(jī)作為主調(diào)節(jié)模塊，通過獲取A／D轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)三色顏色比例，采用PID調(diào)節(jié)方式，以保證調(diào)節(jié)的穩(wěn)定。

圖1 LED 驅(qū)動(dòng)電路總體設(shè)計(jì)圖

2 LED驅(qū)動(dòng)電路硬件設(shè)計(jì)

2.1 恒流驅(qū)動(dòng)原理

如圖2所示，這里由兩只特性相同的管子VT0和VT1構(gòu)成，兩管的發(fā)射極分別接入電阻Re0和Re1。

圖2 恒流驅(qū)動(dòng)電路

電阻R中的電流為基準(zhǔn)電流，其表達(dá)式為：

所以集電極電流為：

由于這里通過改變Ic1和Ir的關(guān)系，使工Ic1和Ir呈比例關(guān)系，從而克服鏡像恒流源電路的缺點(diǎn)。理論推導(dǎo)證明：

可見，只要改變Re0和Re1的阻值，就可以改變Ic1和Ir的比例關(guān)系，其基準(zhǔn)電流Ir為：

通過Re0和Re1電流負(fù)反饋電阻，從而使恒流源的輸出電流Ic1具有更高的穩(wěn)定性。

2.2 PWM控制恒流源驅(qū)動(dòng)

PWM調(diào)節(jié)是指通過一個(gè)周期內(nèi)脈寬占空比的形式來驅(qū)動(dòng)LED的方式，LED的平均驅(qū)動(dòng)電流取決于脈沖波形的占空比和LED額定驅(qū)動(dòng)電流，在驅(qū)動(dòng)電流固定時(shí)，通過改變PWM占空比可以調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流大小。為了避免閃爍，故PWM調(diào)節(jié)的頻率選擇在500 Hz左右。如圖3所示。

圖3 測(cè)量結(jié)果

這里采用LED驅(qū)動(dòng)芯片PT4115。PT4115是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源IC，能將直流電壓直接轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的恒流輸出。

圖4為在PWM調(diào)光模式下外加PWM脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸出驅(qū)動(dòng)電流的測(cè)量結(jié)果。PWM占空比從0～100％。從圖中可以清楚的看到，通過改變不同的PWM占空比可以調(diào)節(jié)額定電流，PT4115最大能夠輸出1.2 A的電流。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路圖

輸出的額定電流由以下公式得到：

式中：D為PWM的占空比。

3 HSI模型

3.1 HIS模型的轉(zhuǎn)換

RGB模型面向電路，而HSI模型與人的顏色感知一一對(duì)應(yīng)，所以需要通過RGB模型完成到HSI模型的轉(zhuǎn)換：

式中：H分量表示色調(diào)；S代表飽和度；I代表亮度。

3. 2 基于HSI模型驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案

主要通過HSI模型控制RGB模型，如圖5所示，通過I分量作為總線控制，再又驅(qū)動(dòng)電路設(shè)定顏色，并讓R，G，B三種分量經(jīng)過加法器之后進(jìn)行自穩(wěn)定，傳感器獲取光線亮度條件，并轉(zhuǎn)換為S分量用來處理。以下是具體的模塊實(shí)現(xiàn)：通過向HCS12單片機(jī)中設(shè)置環(huán)境亮度以及色溫，控制4線共陰的全彩LED，通過采樣電阻反饋RGB三種顏色驅(qū)動(dòng)電路中的電流信號(hào)，從而通過調(diào)節(jié)三色比例達(dá)到調(diào)節(jié)色溫的目的。再通過光亮度傳感器向單片機(jī)反饋數(shù)據(jù)，直接調(diào)節(jié)總線驅(qū)動(dòng)電路限定額定最大電流，從而控制全彩LED燈光的亮度。當(dāng)調(diào)節(jié)為白色燈光時(shí)，只需固定好三色比例為1：1：1，從而直接調(diào)節(jié)總線驅(qū)動(dòng)電路就可調(diào)節(jié)LED的光亮度。這里需要對(duì)每路驅(qū)動(dòng)電路分別使用PT4115作為驅(qū)動(dòng)電路。

圖5 H SI 模型驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)圖

4 軟件設(shè)計(jì)及仿真

這里穩(wěn)定色溫采用離散PID調(diào)節(jié)的方式：

首先進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，A／D轉(zhuǎn)換之后通過加法器獲取H分量，H分量代表色溫，通過PID調(diào)節(jié)穩(wěn)定色溫達(dá)到在調(diào)節(jié)LED亮度之后，顏色不變。通過調(diào)節(jié)P，I，D三個(gè)參數(shù)，讓光亮度的變化可以盡量地適應(yīng)人眼對(duì)于光的感受。PID調(diào)節(jié)與仿真見圖6。

圖6 PID 調(diào)節(jié)與仿真圖

5 結(jié)語

本文討論了LED恒流源PWM調(diào)節(jié)，介紹了PWM調(diào)節(jié)的電路，并提出了一種基于HSI模型的驅(qū)動(dòng)控制電路，通過HSI模型控制RGB模型，并且可以通過三色驅(qū)動(dòng)電路比例調(diào)節(jié)達(dá)到所需要的顏色。該電路可以克服調(diào)節(jié)亮度的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生色差，亮度不好調(diào)節(jié)的問題，根據(jù)個(gè)人喜好調(diào)節(jié)LED燈具的光強(qiáng)和色溫，通過直接調(diào)節(jié)總線驅(qū)動(dòng)電路限定額定最大電流，從而控制全彩LED燈光的亮度，從而使此驅(qū)動(dòng)電路達(dá)到了良好的照明效果。
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