RGB LED 情境照明

高亮度 LED 燈在照明方面的運用范圍愈來愈廣。本文說明簡單的「情境照明燈」，這種照明設備僅采用幾種組件。三個 LED 燈均采用切換式穩壓器來供應恒定電流，并以 MSP430 微控制器所產生三組 PWM 訊號來調控亮度。印刷電路板可裝設于霧面玻璃臺燈內，亦可用于間接照明的 LED 聚光燈。

不論LED 燈的功率為何，現在通常都以恒定電流為電源，原因在于LED 燈以流明 (lm) 為單位的光輸出功率會與電流呈正比。

因此，所有 LED 制造商均指定燈光輸出（有時稱為光效率）、視角和波長等參數，作為順向電流 IF 的函數，而非所謂順向電壓 VF 的函數。于是，我們也在電路中采用適合的恒定電流穩壓器。

高亮度 LED 燈的恒定電流

市面上多數切換式穩壓器均設計為恒定電壓來源，而非恒定電流來源。只須以簡單易懂的方式將電路略為修改，即可將恒定電壓穩壓器改為恒定電流的運作方式。我們并未采用常見的電壓分配器來設定輸出電壓，而是以電流偵測電阻調節電壓降幅。圖 1 概略說明了這個電路。

圖 1 切換式穩壓器可設定為電壓來源或電流來源。

調暗 LED 燈光

基本上有兩種方式可調暗 LED 燈光。第一種方式最簡單，就是運用模擬控制，直接控制流經 LED 燈的電流，減少電流即可降低亮度。可惜這種方式有兩項重大缺點：首先，LED 燈的亮度與電流大小并非完全呈正比關系；其次，燈光的波長（即顏色）會隨著電流變化而改變，以致于不符該 LED 燈的額定值；這兩種現象都是業者極力要避免的問題。

較復雜的控制方式是采用恒定電流來源，這種電源已經過設定，可以為LED供應額定的運作電流。新增一個電路后，即可運用指定的標記間隔率（mark- space ratio）迅速開關 LED 燈，減少平均散發的亮光，因而呈現較低亮度。調整標記間隔率便可輕松調整 LED 燈的亮度，這種方式稱為脈沖寬度調節（Pulse Width Modulation, PWM）。

運用 PWM 調暗燈光

以 TPS62260 為例，說明 PWM 控制的多種建置方式。TPS62260 是一款具整合式切換組件的同步步降轉換器，以2.25MHz的一般性頻率頻率運作。在圖 2 的電路中，我們以黑色標示出將 PWM 訊號直接連接到 EN（啟用）接腳的可行方式。整個切換式穩壓器的電路都是根據 PWM 訊號而開關。我們的實驗結果顯示，在這種設定中，可使用的 PWM 頻率最高可達 100Hz。這種方法的優點在于簡單：不需要使用其它組件，而在切換式穩壓器停用時，泄露的靜態電流也極低，因此這也是最節能的方式。但缺點是 LED 燈對于啟用接腳的高層級響應會延遲，這是因為切換式穩壓器具有「軟啟動」功能：裝置啟動時，輸出電流會逐漸上升，直到達到額定 LED 電流為止。在某些應用中，這種上升現象可能會造成問題，因為在電流從最低值升至正常運作層級時，LED 燈的發光波長也隨之變化。例如，在 DLP 投影機或 LCD 電視面板的 LED 背光中，便不容許出現前述變化，但在本次示范中，一般肉眼并不能察覺這個現象。

第二種方式（圖 2 中以紅色表示），是將 PWM 訊號透過小訊號二極管而與 TPS62260 的誤差放大器輸入結合。在這個電路中，施加于控制輸入的600mV 以上正極電壓會過度驅動誤差放大器而將 LED 關閉。由于這個電路未采用啟動輸入，因此不受穩壓器軟啟動功能的啟動延遲所影響，LED 因而能迅速地開關。

在圖 2 中第三種可行方式以藍色標示。這種方法運用 PWM 訊號控制 LED 燈上的 MOSFET。MOSFET 可造成 LED 燈短路，使 LED 燈更迅速開關。穩壓器是以恒定電流模式運作，該電流會經過 LED 燈或 MOSFET。這種方式的缺點包括增加了 MOSFET 的成本以及能源效率不佳：最多可能有 180mW 的電力消耗于 2Ω 電流偵測電阻中。其優點則是高切換頻率：實驗結果發現，TPS62260 以這種設定運作時，PWM 頻率可高達 50kH。

圖 2 運用調光器功能的三種方式

散熱情況

運作溫度是高功耗 LED 燈效能的重要參數，會明顯影響使用壽命、順向電壓、輸出波長，甚至是照明裝置的亮度。LED 燈的運作溫度愈高，預期使用壽命愈短，因此，我們用于實驗的印刷電路板尺寸，必須可在背面以雙面貼附式熱傳導材質來固定 SK477100 型散熱片（由 Fischer Elektronik 制造），以便在 LED 燈以全功耗運作時，將溫度從 61 °C（未使用散熱片）降至 54 °C（使用散熱片）。散熱片也有助于將熱能分散到印刷電路板的各部分。

光明的未來

這個印刷電路板可用來執作更多功能，例如，電路板上有個插槽可用于安裝德州儀器的 Z430-RF2500 無線電模塊。eZ430-RF2500 套件包含兩個無線電模塊，其中一個套件可安裝旋轉編碼器（使用無線電模塊中微控制器的測試接腳），以建立連接到 LED 燈電路板的無線電連結。