高效多路LED调光技术及电路实现

孙加存 李公义

(苏州市职业大学电子信息工程学院，江苏 苏州 215104)

高效多路LED调光技术及电路实现

孙加存 李公义

(苏州市职业大学电子信息工程学院，江苏 苏州 215104)

对LED灯的发光原理进行了研究，比较了各种常见的LED灯调光技术，提出了运用现场可编程门阵列(FPGA)设计多路PWM信号进行LED调光的方法。结合直流电压转换(DC-DC)技术，运用CMOS管进行驱动，通过按键输入控制占空比。设计了硬件电路，运用VHDL语言编写程序，进行实际电路的制作。构建测试平台进行了试验，试验结果表明，运用FPGA技术产生多路PWM信号，结合CMOS驱动技术、DC-DC技术，可以极大地提高电能利用率。

LED 调光 节能 电能损耗 占空比 电源效率 现场可编程门阵列(FPGA) PWM DC-DC VHDL

0 引言

LED灯被称为继白炽灯、 荧光灯和高强度气体灯之后的第4代光源[1]。LED灯的调光技术特别关键，目前主要有模拟调光技术、可控硅调光技术以及脉宽调制(pulse width modulation,PWM)调光技术[2]。模拟调光技术等效内阻随着电流的减少而显著增大，功耗较大，电路复杂。可控硅调光技术电路简单实用，调光过程敏感，调光精度不高。PWM调光技术通过设置适当的占空比控制LED灯的平均电流，从而达到调光的目的，其具有响应速度快、调光精确的优点。

结合微处理器进行智能调光是LED调光技术的研究重点，文献[3-6]研究通过单片机进行调光，但该方法不适用于LED灯路数较多的情况。目前，针对调光电路的功耗进行研究的文献仍较少，故研究其功耗意义重大。

1 电路设计

1.1 电路原理

采用大功率LED灯进行硬件电路设计，通过控制流过LED灯的平均电流控制其亮度。设控制LED灯通断的PWM信号的占空比为D，则流过LED的平均电流与D比成正比，其大小可由式(1)决定[7]：

IPWM=D×ILED

(1)

式中：IPWM为通过LED的平均电流;D为PWM信号占空比;ILED为LED的额定电流。通过调节D，控制流过LED的平均电流。

采用现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)作为微处理器，对LED的调光技术进行研究，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路，FPGA既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。不同于单片机，FPGA作为可重构的硬件结构，其I/O口都可以作为PWM信号的输出口。所以对于一个144个管脚的FPGA芯片，其I/O口有130多个，即可以产生130多个PWM信号。由于FPGA内部的电路是并发运行的，这些PWM信号运行互不影响，可达到独立运行的效果，这对于多路LED灯的调光就显得比较实用。目前，FPGA芯片的工作电压很小，一般为1.2 V，其本身的功耗也比较低[8]。

电路采用2N-7000开关型的低功耗CMOS管。CMOS管有两种用途，分别为放大与开关。本电路主要完成PWM信号对LED灯的通断控制，故选择开关型的CMOS管。直流电压转换(DC-DC)电路采用LM2596芯片进行设计，该电路转换效率高，省去了限流电阻耗电；同时对于不同功率的LED，可以通过调节电阻来调节输出电压。FPGA采用EP1C3T144C8，系统电源采用5 V的电源。主要电路模块分别为FPGA电路、四个独立按键电路、LM2596电压调整电路、液晶显示电路及三路CMOS管LED驱动电路。FPGA输出三路PWM信号，控制CMOS管的通断，PWM信号的占空比可调，三个LED灯集中在一起，颜色分别是红、绿、蓝，可以通过调节各个LED灯的亮度，产生不同颜色的光。如果需要多路PWM信号输出，只要再设计相同的电路即可。通过四个按键设置各路的PWM信号的占空比，LCD1602显示路别及对应路数PWM信号的占空比，并进行人机对话。LM2596进行DC-DC转换，可根据不同型号的LED灯，调整输出的电压值[9]。

1.2 VHDL程序设计

电路采用VHDL语言进行编写。VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计(或称设计实体，可以是一个元件、一个电路模块或一个系统)分成外部(或称可视部分)和内部(或称不可视部分)，完成实体的内部功能和算法描述。几乎所有的高级语言的执行都是按顺序的，而VHDL语言执行在总体上是并行的。这种特性符合实际逻辑电路的工作过程，可以保证用VHDL语言设计的电路独立工作、互不影响，可以产生多个PWM信号，且相互之间不受干扰[10]。软件主要分为五个模块，分别为：分频模块，用于对系统时钟信号进行分频，产生各个模块所需的时钟；弹跳消除模块，在按键时消除键盘弹跳信号，通过软件消除干扰；键盘模块，对按键信号进行扫描与处理，用于产生各路信号进行占空比的设置，并进行PWM信号输出的启停控制；LCD显示模块，用于显示相关信息，比如占空比、路数等；控制模块，用于产生系统控制信号，进行各模块的控制及产生PWM信号。

2 程序仿真与硬件测试

2.1 程序仿真

通过QUARTUSII软件对信号进行仿真，程序中PWM信号占空比最小分辨率为1%，即通过按键可以对占空比以1%为单位进行递增或增减。由于FPGA芯片的工作频率很高，达到百兆以上，所以占空比可以设得很精确，实现千万分之一的变化。在本程序设计中，将最小间隔设为1%。由于VHDL程序执行是并发执行的，不会对各路PWM信号产生影响，每路信号由系统时钟进行控制，并对各路PWM信号的相位进行设置。在本仿真中，为了使仿真效果更明显，没有对系统信号进行分频，同时，占空比的间隔设为10%，第一路信号占空比为20%，第二路信号占空比为60%，第三路信号占空比为80%。在仿真图形中，系统时钟为1 kHz；第一路信号低电平占9个系统时钟周期、高电平占1个系统时钟信号，第二路信号高电平占6个时钟周期，第三路信号高电平占8个时钟周期；占空比显示正确，相位显示正确。由于信号的时延，在仿真图中出现了一些毛刺信号，在实际的硬件电路中，该毛刺信号可以被滤除。

2.2 硬件测试

进行硬件电路焊接，用双通道数据采集卡对由FPFA产生的PWM信号进行测试，分别测试占空比为20%、60%和80%的图形，从测试波形看，波形状况良好，占空比正确，没有毛刺信号。通过键盘可以设置占空比值，并可目测出LED灯的亮度变化，通过改变三路信号的不同占空比，可以产生不同颜色的光，达到调光与调色的目的。

对电源效率进行测试，主要考虑电源提供的电能有多少可以用在LED灯上。FPGA芯片与LCD所耗的电能基本不变，这里主要测试电源供能与LED灯耗能之间的关系，调节LM2596的输出电压。因为LED的等效电阻是一个非线性器件，其值随着两端电压值的变化而变化。当LM2596输出电压保持不变时，LED的等效内阻也就固定不变，系统电压固定为5 V，用万用表测试电路图中LM2596的IN管脚的输入电流，则可以算出电源给LED灯提供的功率；检测LED电路两边的电压与LED流过的平均电流的数值，可以算出LED灯消耗的功率，测试数据如表1所示。

从表1中的数据可以看出，在DC-DC转换电路中，当输出的电压越高时，LED等效内阻会变小，电流转换效率将会提高。如果没用DC-DC转换电路，仅考虑一路PWM信号控制，可采用限流电阻进行设计。当LED两端电压为1.8 V时，将要有一个限流电阻，其分压值为5 V-1.8 V=3.2 V，则LED灯消耗的功率与电源提供的功率比值(能量使用效率)为36%。当LED两端电压为2.5 V时，使用限流电阻分压，能量使用效率将会是50%。当LED两端电压为3.0 V时，使用限流电阻分压，能量使用效率将会是60%。当输出电压基本不变时，LED电流总数越高，效率将会有所增加，这些效率低于表格中对应情况的效率。因为DC-DC转换电路的消耗的功率基本不变，随着输出电压的升高，电能使用效率也有所增加。通过以上分析可知，运用DC-DC转换电路进行降压的能量使用效率要比单纯使用限流电阻进行分压更高。

表1 测试数据表Tab.1 Test data sheet

3 结束语

本文研究了LED的调光技术，运用FPGA技术，产生多路PWM信号。各路PWM信号独立产生，占空比可调，相位可调，可以对于多路LED灯进行调光。同时，运用DC-DC技术，结合CMOS管设计了电路，并进行了实际电路测试。测试结果表明，相对于传统的设计方法，运用LM2596进行降压设计，可以增加LED灯的能量利用率。LED灯具有节能、长寿、环保、安全等特点，本文的研究成果可以为多路LED灯的调光及减少电能损耗提供参考。

[1] 刘木清.LED的特点及应用综述[C]//中国国际半导体照明论坛,2010:414-416.

[2] 李松宁.LED调光设计方案浅析[J].现代显示,2012(11):11-14.[3] 邵婷婷,樊延虎,雷文礼.基于单片机的节能LED调光系统设计[J].河南科学,2015,33(1):55-57.

[4] 王丽,王晓东,黄国勇,等.基于LED 光源隧道照明调光系统的研究与设计[J].自动化仪表,2012,33(12):54-57.

[5] 张君继,沈艳霞.基于MSP430的新型LED调光系统[J].江南大学学报(自然科学版),2014(1):29-34.

[6] 谭家杰,谭家腾,杜社会.基于MSP430单片机的LED调光系统研究[J].衡阳师范学院学报,2014(3):24-27.

[7] 刘琦,秦会斌,张振银.可单组调光的1W LED阵列驱动设计[J].机电工程,2011(8):991-995.

[8] 刘秀,孙士平,李涛.基于FPGA的矩阵开关控制系统的设计及应用[J].长江大学学报(自然版),2013,10(7):44-46.

[9] 陈浩， 席光,刘胜.一种精确调光的LED 电源设计[J].电源技术,2010(8):218-220.

[10]孙加存,王鹏,陶智福,等.电子设计自动化[M].西安：西安电子科技大学出版社,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

江苏高校品牌专业建设工程基金资助项目(编号：PPZY2015A089)。

孙加存(1975—)，男， 2003年毕业于南京理工大学机电工程专业，获硕士学位，副教授；主要从事系统集成技术及新型能源开发利用技术的研究。

TH-3;TP272

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612007

修改稿收到日期：2016-02-28。