电容式感应触摸技术在LED灯具中的应用

苗雨桥 李响

(北京铨富光电科技有限公司 北京 100102)

0 引言

LED(Lighting emitting diode)作为新一代照明产品，以其高光效，长寿命，小型化已经开始逐步开始了替代传统照明的产品。但是由于LED是典型的半导体器件，在与传统的照明产品相比起来，调光适应性是一个比较严峻的考验。目前比较成熟的LED调光技术为PWM式调光，其主要的优点在于可以通过调节PWM的占空比来精确控制流经LED的电流，进而精确控制LED的发光亮度。

1 触摸感应控制

触摸感应原理是利用电阻电容网络充放电振荡原理，通过以人体触摸作为系统的感应接入端，同时以人体对大地形成的电容厂，改变电路本身的参数特性，来使系统感知人体接入系统，从而达到各种不同的控制目的。电容式感应触摸开关不需要人体直接接触金属，可以彻底消除安全隐患，并且不受天气干燥潮湿，人体电阻变化等影响，使用更加方便。没有任何机械部件，不会磨损，无限寿命，减少后期维护成本。

平行介质的电容数学表达为：

C= (k×□×A)/d

其中（见图1a）C—平行介质的电容值，F；A—平行区域的表面积，m；d—平行区域介质之间的距离，m；□—平行区域的介电常数，F/m。

基于人体的感应触摸电气模型可以表示图1b。当人体接触甚至接近感应电极的时候，感应电极与参考地之间的电容值即会发生相应的变化，而这个变化会立即被系统捕获，从而使系统作出相应的变化，对应LED灯具，即为改变控制PWM的占空比来调节LED的电流值。

触摸感应的虚地问题通常存在于封闭式系统（封闭式系统指同外界没有直接的参考地关系的系统），一般这类系统都主要是有电池的便携式设备，由于电池的存在，其供电的参考地（电路信号参考地）与人体的参考地（实际的大地）实际的电气参考不同，所以会导致在触摸感应在这类系统中应用存在一些问题；见图2。

实际解决这类问题的办法最常用的方法既是，增加触摸电极的数量，将其中一个或多个电极互为电气参考，这样就可以大大增加系统的信噪比，提高稳定性。

2 LED驱动电路

LED由于本身半导体元件的特点，使得其在具体应用中有较多的主意事项，通常针对照明领域的LED光源芯片，都有着功率较大，并且工作范围较宽的特点；而在另一方面LED本身的发光亮度是与流过其电流的大小成正比例，所以一般的LED驱动设计中，都尽量将LED的排列成多串联，少并联的形式，来消除由于LED本身节压离散性对于系统的影响, 因此在低压灯具的设计中，通常会使用到升压恒流源的线路拓扑结构。

TI（德州仪器）公司，作为全球最大的半导体解决方案供应商，有非常丰富的LED驱动产品线，针对不同的应用（例如功率，输入特性，输出特性等），其推出了很多有竞争力的产品。这里着重介绍一下TPS61500这款专门为LED设计的驱动器。TPS61500内置有3A，40V的N通道MOSFET，这使得它的应用可以做到小型化设计，外部电路仅需电感器，电容器即可完成初级功能设计，同时其宽范围的电压输入2.9V-18V可以适应低电压的电池设计和相对高电压的外接DC电源设计，具有良好的可扩展性。同时其TSSOP14的封装，在封装底部加入散热焊盘，有效的降低芯片的热阻，进而提高系统的可靠性，防止其热过载导致失效，其封装外形如图3。

同时此产品集成了过压保护OVP(Pin11)，这个功能在产品量产中有效的防止由于测试开路造成的额外损失。另外由于LED设计为开关式电源，其本身会有一定的EMC的问题产生，针对这个原理性问题，芯片开放出FREQ(Pin10),可以通过此管脚外接电阻来设定内部MOSFET的开关频率，这样可以结合外部电路设计，选择匹配的元件，来降低EMC的干扰问题，其器件内部功能如图4

3 PWM调光方式

PWM(Pulse Width Modulation)简称脉宽调制，是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种常见的有效的技术手段。通常的电路设计需要在LED的驱动主干路上增加开关元件来实现调光的功能，如图5a。

这种调光方式有一个比较严重的问题是，其开关干路负载，会产生比较大的开关损耗，同时由于电子元件寄生参数的影响会产生一些电流的奇变，严重时甚至会影响整个系统的性能。针对这个问题的改良，可以使用电压式调节的办法，其直接针对反馈端调整，如图5b。

为利用这种更优化的方式，我们通过简单的RC滤波器将PWM的系统变换成对应的直流信号，来控制干路电路，进而实现调光功能，如图5c。

4 LED灯具系统设计

结合以上介绍的技术，将其综合应用于产品设计中，其共涉及有7个部分，如附图6。

(1)外接的5V适配器（Adapter），选用市场中标准的DC017插头，实现AC-DC的初次变换。

(2)充电器设计(Charger)，选用TI的线性充电产品BQ2407X，实现锂离子电池的充电管理。

(3)电路软开关功能(Power Path SW), 用于降低充电器的电流量，同时保护锂离子电路反向放电。

(4)单芯锂离子电池(Battery)，实现产品的便携化功能。

(5)LED 恒流驱动器(LED CC Driver),使用TPS61500完成升压式恒流驱动设计。

(6)调光控制器(Dimming Controller), 使用简单的单片机实现PWM的输出功能，进而实现调光。

(7)光源（LED），使用高光效的白光LED芯片，确保光品质以及光通量。

5 结论

在详细分析介绍了 触摸感应原理，LED驱动技术以及PWM调光方式后，提出了整个灯具的设计方案。并且将其成功应该至实际产品中，大大提高了照明产品的科技含量和人性化设计。

[1]Texas Instruments, 3A Boost Converter for High Brightness LED Driver with Multiple Dimming Methods.www.TI.com, 2008

[2]Eduardo Muriel Hernandez, Ulises Corales, RTAC Americas.Enabling an MCU for touch sensing with Proximity sensor software.Freescale Semiconductor AN3579.