低成本三基色大功率LED驱动控制方案设计

张修红，刘廷章，闫 斌，金碧瑶，周壮丽

（1.上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072；2.上海亮硕光电子科技有限公司 上海 201203）

三基色混色需要几个条件，一是分别发出红、绿、蓝三种颜色的LED光源；二是三种光源能够分别独立控制；三是拥有混色比例的算法。现代LED制造工艺的发展，分别发出单色光的LED不是难题，如何单独控制每路LED也很好实现，只是控制效果和体积成本等方面的差别。由于人们对品质的追求，驱动控制方案层出不穷，提出了通过独立控制PWM来驱动三路大功率LED的方案[2－3]，来实现三基色的混色。在Buck（降压电路）的基础上，利用恒流控制芯片的特性，将开关管与LED串并联，实现对LED串的控制。LED控制部分拓扑结构仅需要几个简单的三极管及MOSFET等元件，即可以达到控制要求。

1 系统方案设计

为实现LED的三基色混色，选择PWM调光方式，系统共包括两大部分，一是驱动电源的设计，包括AC/DC(Alternating Current/Direct Current)驱动电源和DC/DC驱动电源及LED调节控制，该部分实现系统供电及LED的驱动；二是系统软件的设计，其中包括三基色转换算法，该部分完成上位机与单片机的通讯及单片机对LED的控制。

1.1 AC/DC驱动电源

驱动电源输入端采用交流宽电压范围为85～265VAC/50 Hz，输出端为两路恒定电压VOUT1和VOUT2，VOUT1为40 V/300 mA，VOUT2为 5 V/100 mA，电路原理如图 1。

工作原理：接通电源后，交流电压经过整流桥后输出正弦半波直流脉动电压，通过R5、R6给芯片VCC脚一个启动电压，芯片开始工作。芯片正常工作时，由变压器T2的辅助绕组供电，芯片GD脚输出PWM波控制开关Q1的通断[4－5]。直流输出电压VOUT1作为主反馈，经PC817输入芯片的INV脚，作为乘法器的输入。同时整流桥后端电压经电阻R1、R2、R3与R4分压后，在芯片MULT脚得到正弦半波信号，作为乘法器的另一输入端。乘法器输出得到正弦半波参考电压，当Q1导通时，原边绕组电流增大，经电阻R18在芯片CS脚产生电压与正弦参考电压作比较，当CS电压达到正弦幅值时，Q1截止。当Q1截止时，原边绕组电感极性反转，辅助绕组极性为正电位，经电阻R7在ZCD脚产生电压，以检测低压点（0.7 V），达到此值，芯片GD脚输出高电平，使Q1导通，实现准谐振。

1.2 DC/DC驱动电源及LED调节控制电路

ZXLD1362是一个连续模式降压型LED驱动器，内置MOSFET，可驱动最大1A电流，具有电流检测功能，可实现恒流。DC/DC驱动电源电路原理图如图2，当电源启动时，由于电感L2的存在，电流会缓慢变大，芯片SET脚检测电压值达到0.1 V时，关断内部MOSFET，此时电感极性反转，电流回路通过肖特基二极管D20续流，电流开始下降，当SET脚电压下降至0.01V时，内部MOSFET开通，这样周而复始循环。每个LED的通过电流都是恒定的300 mA，当由PWM信号控制LED旁路MOSFET的通断时，就形成LED的通过，3种色彩LED的不同通断组合[6-7]，就可以混合出各种色彩及亮度。

LED调节电路包括3套完全相同的控制电路，每套电路都包含3个三极管和一个功率MOSFET管，根据图2中PWM1对应的一套电路来分析。三极管Q1接收到PWM1信号，当其为高电平时，Q1截止，射极连接到三极管Q2、Q3的基极，且为高电平，Q2导通，Q3截止，输出到功率MOSFET管Q4管栅极电平为高，Q4管导通，将对应的LED串短路；当PWM1信号为低电平时，Q1导通，射极连接到Q2、Q3的基极，且为低电平，Q2截止，Q3导通，输出到Q4栅极电平为低，Q4截止，对应的LED串正常导通。三极管Q1、Q2为NPN管，三极管Q3为PNP管，MOSFET管Q4为NMOS管。

图2 DC/DC驱动电源电路Fig.2 DC/DCdriving circuit

2 软件设计

2.1 软件架构

软件系统主要包括两部分，一为串口接收命令及对命令的解析；二为根据三基色配比，改变TMRx中的值，从而产生不同占空比的PWM。首先自定义数据通信协议，通信中的数据采用数据包的形式发送与接收，一个数据包称为一帧数据。一帧数据由以下几个部分组成：帧头、地址信息、数据类型、数据长度、数据块、校验码、帧尾。帧头和帧尾用于数据包完整性的判别，帧头定义为0xAA885E，帧尾定义为0x0D。地址信息主要用于多机通信中，通过地址信息的不同来识别不同的通信终端，统一定义为0x00，这里定义作为预留。数据类型、数据长度和数据块是主要的数据部分，数据类型可以标识后面紧接着的命令还是数据，数据长度用于指示有效数据的个数。校验码则用来检验数据的完整性和正确性，由对数据段作累加和得到。系统上电，软件初始化后，处于等待中断状态，当上位机通过串口发送指令，单片机解析指令，通过RB5、RB3、RB0输出不同的 PWM信号。

表1 帧格式Tab.1 Frame format

表2 命令格式Tab.2 Command format

软件系统框图如图3。系统上电后，程序首先进行初始化，接着打开系统开关状态的监听，一旦接收到关机命令，即输出关机，结束系统运行。程序接下来执行异常状态的侦测，包括数据是否完全初始化成功、状态变量的赋值、死循环等，侦测到异常状态，则做自我修复，否则重新进行初始化。接着打开命令接收监听，对接收到的命令进行解析，如果是控制LED命令则进入中断，使能PWM输出相应数据，而后恢复中断，继续监听下一个状态量的到来。进入中断服务程序后，首先检测相应中断标志位，有中断标志置位，则清除相应中断标志位，输出PWM产生信号，否则继续监听中断状态。

图3 软件系统框图Fig.3 Software block

2.2 色度转换算法

在色谱的表色方法中，CIE1931Yxy表色法是最常用的，在Yxy色度图中，x色度坐标相当于红原色的比例，y色度坐标相当于绿原色的比例，Y表示颜色亮度特征的亮度因数[8-9]。笔者通过单片机接收上位机发来的串口数据，便是x、y值，再通过ZLL协议的算法来对x、y值进行转换，来获得R’、G’、B’值，从而得到调节三路PWM的值。变换过程如图4。

图4 RGB转换流程图Fig.4 RGB convertion flow chart

2.2.1 xyY转化为XYZ

根据CIE1931表色法的定义得到

2.2.2 XYZ转化为RGB

光源通常都是不确定变化的数值，但是当提供标准的比色法数值时，有助于分析各种光源。不同的标准光源满足不同的应用场合，根据CIE1931的规定，几种标准光源的数值如表3。

表3 标准光源Tab.3 Standard illuminant

如果XYZ与RGB是相同的光源，则不需做任何变换；如果XYZ与RGB不是相同的光源，则需要布拉德福德矩阵来进行变换，变换公式如下。

该矩阵是三基色所限定的空间中执行得到，表示在XYZ坐标中，而相对于纯白色这一特殊情况时，可以更加精确地得到红、绿、蓝的值，其特征与已知的XYZ坐标相对应。X’、Y’、Z’与RGB之间的转换公式如下

2.2.3 RGB 转化为 R’G’B’

人眼对外界光源的感光值与输入光强不是呈线性关系的，而是呈指数型关系。在低照度下，人眼更容易分辨出亮度的变化，随着照度的增加，人眼不易分辨出亮度的变化。不过，这可以通过gamma校正来解决，所谓gamma校正是对输入图像灰度值进行的非线性操作，使输出图像灰度值与输入图像灰度值呈指数关系：

V out、V in指输入输出，A是变换系数，γ是 gamma校正系数。

RGB与 R’G’B’的转换公式如下

3 实验结果及分析

实验测得单片机输出PWM波及对应的LED电流波形如图5所示，从图中可以看出，PWM的频率为404.8 kHz，占空比可以调节，经测试，输出频率范围为50 Hz到500 kHz之间，占空比可调节范围为0.05到1之间，输出电压大约为3.3 V，足以驱动MOSFET。输出电流峰值大约在300 mA左右，以400 kHz的频率调节电流输出，占空比为0.5。将PWM输出电压波形取反，以便观察，从图中可以看出，当其为高电平时，对应的LED电流大约为300mA，而且纹波很小，大约为3%；当其为低电平时，对应的LED电流大约为-50 mA，这是由电路续流产生的，对LED的工作没有影响。电流的轮换速率达到微秒级，具有很小的上升与下降时间，而且随着PWM的电压变化，电流也实时地变化，完全可以自由控制导通时间及占空比。每一路的通断都是由相同频率的PWM控制的，在调配各个LED灯串的导通时间比例时，很有优势，实际测试下来与图5中的结果完全一致。

图5 LED电流波形Fig.5 LEDcurrent waveform

4 结 论

本文通过对三基色LED驱动电源及色彩转换算法的研究，设计了一套驱动电路系统控制方案，通过巧妙的设计，仅使用几个简单的三极管、MOSFET管等元件来实现LED的控制。实验表明，PWM信号可以很好地控制LED电流，电流响应速率达到微秒级，而且具有较大的功率。该控制方案的实现较为简单，而且成本低、功率大，为三基色混色的智能控制提供了有效的解决方案。

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