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德州仪器/ Dirk Gehrke与Christian Hernitschek
高亮度 LED 灯在照明方面的运用范围愈来愈广。本文说明简单的“情境照明灯”，这种照明设备仅采用几种组件。3个 LED 灯均采用切换式稳压器来供应恒定电流，并以 MSP430 微控制器所产生3组 PWM 信号来调控亮度，。印刷电路板可装设于雾面玻璃台灯内，亦可用于间接照明的 LED 聚光灯。
不论 LED 灯的功率为何，现在通常都以恒定电流为电源，原因在于 LED 灯以流明 (lm) 为单位的光输出功率会与电流呈正比。
因此，所有 LED 制造商均指定灯光输出（有时称为光效率）、视角和波长等参数，作为顺向电流 IF 的函数，而非所谓顺向电压 VF 的函数。于是，我们也在电路中采用适合的恒定电流稳压器。
高亮度 LED 灯的恒定电流
市面上多数切换式稳压器均设计为恒定电压来源，而非恒定电流来源。只须以简单易懂的方式将电路略为修改，即可将恒定电压稳压器改为恒定电流的运作方式。我们并未采用常见的电压分配器来设定输出电压，而是以电流侦测电阻调节电压降幅。图 1 概略说明了这个电路。
调暗 LED 灯光
基本上有两种方式可调暗 LED 灯光。第一种方式最简单，就是运用模拟控制，直接控制流经 LED 灯的电流，减少电流即可降低亮度。可惜这种方式有两项重大缺点：首先，LED 灯的亮度与电流大小并非完全呈正比关系；其次，灯光的波长（即颜色）会随着电流变化而改变，以致于不符该 LED 灯的额定值；这两种现象都是业者极力要避免的问题。
较复杂的控制方式是采用恒定电流来源，这种电源已经过设定，可以为LED供应额定的运作电流。新增一个电路后，即可运用指定的标记间隔率（mark-space ratio）迅速开关 LED 灯，减少平均散发的亮光，因而呈现较低亮度。调整标记间隔率便可轻松调整 LED 灯的亮度，这种方式称为脉冲宽度调节（Pulse Width Modulation, PWM）。
运用 PWM 调暗灯光
本文以 TPS62260 为例，说明 PWM 控制的多种建置方式。TPS62260 是一款具整合式切换组件的同步步降转换器，以2.25MHz的一般性频率频率运作。在图 2 的电路中，我们以黑色标示出将 PWM 信号直接连接到 EN（启用）接脚的可行方式。整个切换式稳压器的电路都是根据 PWM 信号而开关。我们的实验结果显示，在这种设定中，可使用的 PWM 频率最高可达 100Hz。这种方法的优点在于简单：不需要使用其他组件，而在切换式稳压器停用时，泄露的静态电流也极低，因此这也是最节能的方式。但缺点是 LED 灯对于启用接脚的高层级响应会延迟，这是因为切换式稳压器具有“软启动”功能：装置启动时，输出电流会逐渐上升，直到达到额定 LED 电流为止。在某些应用中，这种上升现象可能会造成问题，因为在电流从最低值升至正常运作层级时，LED 灯的发光波长也随之变化。例如，在 DLP 投影机或 LCD 电视面板的 LED 背光中，便不容许出现前述变化，但在本次示范中，一般肉眼并不能察觉这个现象。
第二种方式（图2中以红色表示），是将 PWM 信号透过小信号二极管而与 TPS62260 的误差放大器输入结合。在这个电路中，施加于控制输入的600mV 以上正极电压会过度驱动误差放大器而将 LED 关闭。由于这个电路未采用启动输入，因此不受稳压器软启动功能的启动延迟所影响，LED 因而能迅速地开关。
在这个设定中，前述电流升降所造成的输出波长变化小到可以忽略；不仅如此，我们的实验发现，PWM 频率可提高至 5kHz。
在图2中第三种可行方式以蓝色标示。这种方法运用 PWM 信号控制 LED 灯上的 MOSFET。MOSFET 可造成 LED 灯短路，使 LED 灯更迅速开关。稳压器是以恒定电流模式运作，该电流会经过 LED 灯或 MOSFET。这种方式的缺点包括增加了 MOSFET 的成本以及能源效率不佳：最多可能有 180mW 的电力消耗于 2Ω 电流侦测电阻中。其优点则是高切换频率：实验结果发现，TPS62260 以这种设定运作时，PWM 频率可高达 50kH。
实际电路
电路（图 3 与图 4）的核心为 MSP430F2131 微控制器，其设定为以三重 PWM 产生器运作，并从旋转编码器（rotary encoder） (R1) 中读取数值。编码器的数值是用来检索包含红、绿、蓝 LED 灯标记间隔率值的查询表。输出接脚 TA0、TA1、TA2 会有对应的 PWM 信号，频率约为 122Hz。这个频率相当高，足以确保 LED 灯不会闪烁，因为人类视觉会填补个别灯光脉冲的间隙，达到平均的感受强度值。
在实际情况中，我们选择图 2 标红色的 PWM 控制方式，因为它能在电路复杂度与效能间取得平衡。每个红 (D14)、绿 (D24)、蓝 (D34) LED 灯都由独立的 TPS62260 DC/DC 转换器供应恒定电流。2Ω 电阻会将流经 LED 灯的额定电流调整为 300 mA。若采用 TPS62290 可获得更高的电流（高达 1 A），该装置为 TPS62260 的进阶版，具有相同封装样式。
PWM 信号则以小信号二极管（D13、D23、D33）耦合。若 PWM 信号高，会改写对应于切换式稳压器的一般误差信号输出，这类切换式稳压器的阀值电压水平为 600 mV。这表示高 PWM 信号会迫使 LED 灯熄灭，而若之后 PWM 信号降低，稳压器会再次启动，LED 灯便亮起。整个电路是由调节型 5 V 1 A DC 电路转接器供电。以电阻建立的简易电压稳定器与季纳二极管（Zener diode），可将 MSP430 微控制器的5V电压降至3.3 V。
这个电路可建立于印刷电路板上，如图 5 所示。电路板分为三种版本，差异仅在于 LED 灯的尺寸与连接配置，适用于不同类型的 LED 灯。有关现有的 LED 灯选项，请见零件列表。
散热情况
运作温度是高功耗 LED 灯效能的重要参数，会明显影响使用寿命、顺向电压、输出波长，甚至是照明装置的亮度。LED 灯的运作温度愈高，预期使用寿命愈短，因此，我们用于实验的印刷电路板尺寸，必须可在背面以双面贴附式热传导材质来固定 SK477100 型散热片（由 Fischer Elektronik 制造），以便在 LED 灯以全功耗运作时，将温度从 61℃（未使用散热片）降至54℃（使用散热片）。散热片也有助于将热能分散到印刷电路板的各部分。
为显示热影像，我们在电路板上安装 Cree 生产的 LED 灯。图 6 清楚显示出结果，可看出 LED 灯未安装散热片（左）与安装散热片（右）时的温度。
软件
此一应用程序的 MSP430 软件原始码可以从 Elektor 网站下载。原始码的开头为 MSP430F21x2.h 头文件案，包含 MSP430 中全部的控制缓存器名称及控制位的定义。接着定义色码表（color table）的长度。此时须注意，LED_TabLength 的数值实际上是设定为色码表的四倍长。接着是色码表本身，每个 LED 灯都有独立的数组。指针LEDptr 可用于读取个别色码表数组中三个输出的 PWM 标记间隔率设定：详见文本框“色码表”。
微控制器会在函数 main() 的开头初始化。监测定时器会停用，可调整系统频率的校准值也会加载，Timer_A 模块也经过设定，而多任务输入与输出也会经过适当初始化。主要回路包含两个 while 区块。在第一个 while 区块中，色码表指标 LEDptr 会累加，造成 PWM 标记间隔率持续变化，因此产生颜色。这些颜色变化的整体计时是以两个巢状 for 循环控制。第一个 while 循环会持续运作，直到旋转编码器回报其中一个输出产生变化为止。第二个 while 区块为无尽循环，会接着控制：根据旋转编码器的转换方向来增加或减少色码表指标。
光明的未来
这个印刷电路板可用来执作更多功能，例如，电路板上有个插槽可用于安装德州仪器的 Z430-RF2500 无线电模块。eZ430-RF2500 套件包含两个无线电模块，其中一个套件可安装旋转编码器（使用无线电模块中微控制器的测试接脚），以建立连接到 LED 灯电路板的无线电链接。
本文说明的电路板主要用于实验与评估。由于 MSP430 原始码已公开，因此可加以修改用于其他项目。切换式稳压器也可用于其他方面，请尽量利用！
关于作者:
Dirk Gehrke 出生于德国敏斯特，曾于 Dortmund University of Applied Sciences and Arts 研究通信技术，并于 1998 年进入德州仪器，曾在英国、法国、美国担任应用工程师 (FAE)。2000 年起他在德国弗赖辛担任电源管理产品的 FAE，并于 2006 年 1 月成为 EMEA（欧洲、中东地区与非洲）模拟产品的业务开发经理。
Christian Hernitscheck 在德国 Landshut University of Applied Sciences 研究电子工程，专攻微电子学。他自 1998 起担任德州仪器的 FAE，工作范围涵盖整个欧洲地区，主要业务为 MSP430 微控制器系列产品。
高亮度 LED 灯在照明方面的运用范围愈来愈广。本文说明简单的“情境照明灯”，这种照明设备仅采用几种组件。3个 LED 灯均采用切换式稳压器来供应恒定电流，并以 MSP430 微控制器所产生3组 PWM 信号来调控亮度，。印刷电路板可装设于雾面玻璃台灯内，亦可用于间接照明的 LED 聚光灯。
不论 LED 灯的功率为何，现在通常都以恒定电流为电源，原因在于 LED 灯以流明 (lm) 为单位的光输出功率会与电流呈正比。
因此，所有 LED 制造商均指定灯光输出（有时称为光效率）、视角和波长等参数，作为顺向电流 IF 的函数，而非所谓顺向电压 VF 的函数。于是，我们也在电路中采用适合的恒定电流稳压器。
高亮度 LED 灯的恒定电流
市面上多数切换式稳压器均设计为恒定电压来源，而非恒定电流来源。只须以简单易懂的方式将电路略为修改，即可将恒定电压稳压器改为恒定电流的运作方式。我们并未采用常见的电压分配器来设定输出电压，而是以电流侦测电阻调节电压降幅。图 1 概略说明了这个电路。
调暗 LED 灯光
基本上有两种方式可调暗 LED 灯光。第一种方式最简单，就是运用模拟控制，直接控制流经 LED 灯的电流，减少电流即可降低亮度。可惜这种方式有两项重大缺点：首先，LED 灯的亮度与电流大小并非完全呈正比关系；其次，灯光的波长（即颜色）会随着电流变化而改变，以致于不符该 LED 灯的额定值；这两种现象都是业者极力要避免的问题。
较复杂的控制方式是采用恒定电流来源，这种电源已经过设定，可以为LED供应额定的运作电流。新增一个电路后，即可运用指定的标记间隔率（mark-space ratio）迅速开关 LED 灯，减少平均散发的亮光，因而呈现较低亮度。调整标记间隔率便可轻松调整 LED 灯的亮度，这种方式称为脉冲宽度调节（Pulse Width Modulation, PWM）。
运用 PWM 调暗灯光
本文以 TPS62260 为例，说明 PWM 控制的多种建置方式。TPS62260 是一款具整合式切换组件的同步步降转换器，以2.25MHz的一般性频率频率运作。在图 2 的电路中，我们以黑色标示出将 PWM 信号直接连接到 EN（启用）接脚的可行方式。整个切换式稳压器的电路都是根据 PWM 信号而开关。我们的实验结果显示，在这种设定中，可使用的 PWM 频率最高可达 100Hz。这种方法的优点在于简单：不需要使用其他组件，而在切换式稳压器停用时，泄露的静态电流也极低，因此这也是最节能的方式。但缺点是 LED 灯对于启用接脚的高层级响应会延迟，这是因为切换式稳压器具有“软启动”功能：装置启动时，输出电流会逐渐上升，直到达到额定 LED 电流为止。在某些应用中，这种上升现象可能会造成问题，因为在电流从最低值升至正常运作层级时，LED 灯的发光波长也随之变化。例如，在 DLP 投影机或 LCD 电视面板的 LED 背光中，便不容许出现前述变化，但在本次示范中，一般肉眼并不能察觉这个现象。
第二种方式（图2中以红色表示），是将 PWM 信号透过小信号二极管而与 TPS62260 的误差放大器输入结合。在这个电路中，施加于控制输入的600mV 以上正极电压会过度驱动误差放大器而将 LED 关闭。由于这个电路未采用启动输入，因此不受稳压器软启动功能的启动延迟所影响，LED 因而能迅速地开关。
在这个设定中，前述电流升降所造成的输出波长变化小到可以忽略；不仅如此，我们的实验发现，PWM 频率可提高至 5kHz。
在图2中第三种可行方式以蓝色标示。这种方法运用 PWM 信号控制 LED 灯上的 MOSFET。MOSFET 可造成 LED 灯短路，使 LED 灯更迅速开关。稳压器是以恒定电流模式运作，该电流会经过 LED 灯或 MOSFET。这种方式的缺点包括增加了 MOSFET 的成本以及能源效率不佳：最多可能有 180mW 的电力消耗于 2Ω 电流侦测电阻中。其优点则是高切换频率：实验结果发现，TPS62260 以这种设定运作时，PWM 频率可高达 50kH。
实际电路
电路（图 3 与图 4）的核心为 MSP430F2131 微控制器，其设定为以三重 PWM 产生器运作，并从旋转编码器（rotary encoder） (R1) 中读取数值。编码器的数值是用来检索包含红、绿、蓝 LED 灯标记间隔率值的查询表。输出接脚 TA0、TA1、TA2 会有对应的 PWM 信号，频率约为 122Hz。这个频率相当高，足以确保 LED 灯不会闪烁，因为人类视觉会填补个别灯光脉冲的间隙，达到平均的感受强度值。
在实际情况中，我们选择图 2 标红色的 PWM 控制方式，因为它能在电路复杂度与效能间取得平衡。每个红 (D14)、绿 (D24)、蓝 (D34) LED 灯都由独立的 TPS62260 DC/DC 转换器供应恒定电流。2Ω 电阻会将流经 LED 灯的额定电流调整为 300 mA。若采用 TPS62290 可获得更高的电流（高达 1 A），该装置为 TPS62260 的进阶版，具有相同封装样式。
PWM 信号则以小信号二极管（D13、D23、D33）耦合。若 PWM 信号高，会改写对应于切换式稳压器的一般误差信号输出，这类切换式稳压器的阀值电压水平为 600 mV。这表示高 PWM 信号会迫使 LED 灯熄灭，而若之后 PWM 信号降低，稳压器会再次启动，LED 灯便亮起。整个电路是由调节型 5 V 1 A DC 电路转接器供电。以电阻建立的简易电压稳定器与季纳二极管（Zener diode），可将 MSP430 微控制器的5V电压降至3.3 V。
这个电路可建立于印刷电路板上，如图 5 所示。电路板分为三种版本，差异仅在于 LED 灯的尺寸与连接配置，适用于不同类型的 LED 灯。有关现有的 LED 灯选项，请见零件列表。
散热情况
运作温度是高功耗 LED 灯效能的重要参数，会明显影响使用寿命、顺向电压、输出波长，甚至是照明装置的亮度。LED 灯的运作温度愈高，预期使用寿命愈短，因此，我们用于实验的印刷电路板尺寸，必须可在背面以双面贴附式热传导材质来固定 SK477100 型散热片（由 Fischer Elektronik 制造），以便在 LED 灯以全功耗运作时，将温度从 61℃（未使用散热片）降至54℃（使用散热片）。散热片也有助于将热能分散到印刷电路板的各部分。
为显示热影像，我们在电路板上安装 Cree 生产的 LED 灯。图 6 清楚显示出结果，可看出 LED 灯未安装散热片（左）与安装散热片（右）时的温度。
软件
此一应用程序的 MSP430 软件原始码可以从 Elektor 网站下载。原始码的开头为 MSP430F21x2.h 头文件案，包含 MSP430 中全部的控制缓存器名称及控制位的定义。接着定义色码表（color table）的长度。此时须注意，LED_TabLength 的数值实际上是设定为色码表的四倍长。接着是色码表本身，每个 LED 灯都有独立的数组。指针LEDptr 可用于读取个别色码表数组中三个输出的 PWM 标记间隔率设定：详见文本框“色码表”。
微控制器会在函数 main() 的开头初始化。监测定时器会停用，可调整系统频率的校准值也会加载，Timer_A 模块也经过设定，而多任务输入与输出也会经过适当初始化。主要回路包含两个 while 区块。在第一个 while 区块中，色码表指标 LEDptr 会累加，造成 PWM 标记间隔率持续变化，因此产生颜色。这些颜色变化的整体计时是以两个巢状 for 循环控制。第一个 while 循环会持续运作，直到旋转编码器回报其中一个输出产生变化为止。第二个 while 区块为无尽循环，会接着控制：根据旋转编码器的转换方向来增加或减少色码表指标。
光明的未来
这个印刷电路板可用来执作更多功能，例如，电路板上有个插槽可用于安装德州仪器的 Z430-RF2500 无线电模块。eZ430-RF2500 套件包含两个无线电模块，其中一个套件可安装旋转编码器（使用无线电模块中微控制器的测试接脚），以建立连接到 LED 灯电路板的无线电链接。
本文说明的电路板主要用于实验与评估。由于 MSP430 原始码已公开，因此可加以修改用于其他项目。切换式稳压器也可用于其他方面，请尽量利用！
关于作者:
Dirk Gehrke 出生于德国敏斯特，曾于 Dortmund University of Applied Sciences and Arts 研究通信技术，并于 1998 年进入德州仪器，曾在英国、法国、美国担任应用工程师 (FAE)。2000 年起他在德国弗赖辛担任电源管理产品的 FAE，并于 2006 年 1 月成为 EMEA（欧洲、中东地区与非洲）模拟产品的业务开发经理。
Christian Hernitscheck 在德国 Landshut University of Applied Sciences 研究电子工程，专攻微电子学。他自 1998 起担任德州仪器的 FAE，工作范围涵盖整个欧洲地区，主要业务为 MSP430 微控制器系列产品。