《电子技术应用》

基于HSI模型的全彩LED驱动电路设计方案

摘要: 为了改善LED模组的照明质量,实现对LED模组色温的调节,通过分析LED模组的驱动电路技术,提出一种基于HSI模型的全彩LED驱动电路的设计方案。该驱动电路利用三色比例调节达到所需要的颜色,并采用PID调节方式,以保证调节的稳定。

Abstract:

  0 引言

  发光二极管(Light Emitting Diode,LED)是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光,随着LED的应用越来越广,对于其驱动电路要求也越来越高。现在大多数场合需要采用恒流输出的开关电源,对于全彩LED灯而言,采用传统的RGB分别驱动在面对既要调色温又要调节亮度时候会有明显的缺陷,基于这点,通过改良HSI模型,设计了这款适合与全彩LED的驱动电路。传统的RGB模型需要R,G,B分别调节,而HSI模型主要将亮度和色度分开,通过H,S,I三个参数分别调节,H(色度),S(饱和度),I(亮度)。HIS模型下的驱动电路通过单片机控制总线驱动电流来限定I参数(亮度),通过R,G,B三端反馈调节R,G,B的综合比例(H参数),经由光线传感器获取光亮度的饱和程度S参数,达到驱动电路调节的目的。

  1 总体设计

  图1为HIS模型下全彩LED驱动电路的总体设计。硬件部分采用恒流驱动芯片PT4115,采用总一分的方式进行RGB驱动,通过采样电路获取R,G,B三路电流信号反馈,用来调节R,G,B的比例。软件采用STC系列单片机作为主调节模块,通过获取A/D转换调节三色颜色比例,采用PID调节方式,以保证调节的稳定。

 

  

 

  2 LED驱动电路硬件设计

  2.1 恒流驱动原理

  如图2所示,这里由两只特性相同的管子VT0和VT1构成,两管的发射极分别接入电阻Re0和Re1。电阻R中的电流为基准电流,其表达式为:

  

  所以集电极电流为:

  

  由于这里通过改变Ic1和Ir的关系,使工Ic1和Ir呈比例关系,从而克服镜像恒流源电路的缺点。理论推导证明:

  

  可见,只要改变Re0和Re1的阻值,就可以改变Ic1和Ir的比例关系,其基准电流Ir为:

  

  通过Re0和Re1电流负反馈电阻,从而使恒流源的输出电流Ic1具有更高的稳定性。

 

  

 

  2.2 PWM控制恒流源驱动

  PWM调节是指通过一个周期内脉宽占空比的形式来驱动LED的方式,LED的平均驱动电流取决于脉冲波形的占空比和LED额定驱动电流,在驱动电流固定时,通过改变PWM占空比可以调节驱动电流大小。为了避免闪烁,故PWM调节的频率选择在500 Hz左右。如图3所示。

 

  

 

  这里采用LED驱动芯片PT4115。PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源IC,能将直流电压直接转换成稳定的恒流输出。

  图4为在PWM调光模式下外加PWM脉冲驱动信号和输出驱动电流的测量结果。PWM占空比从0~100%。从图中可以清楚的看到,通过改变不同的PWM占空比可以调节额定电流,PT4115最大能够输出1.2 A的电流。

 

  

 

  输出的额定电流由以下公式得到:

 

  

 

  式中:D为PWM的占空比。

  3 HSI模型

  3.1 HIS模型的转换

  RGB模型面向电路,而HSI模型与人的颜色感知一一对应,所以需要通过RGB模型完成到HSI模型的转换:

  

  式中:H分量表示色调;S代表饱和度;I代表亮度。

  3. 2 基于HSI模型驱动设计方案

  主要通过HSI模型控制RGB模型,如图5所示,通过I分量作为总线控制,再又驱动电路设定颜色,并让R,G,B三种分量经过加法器之后进行自稳定,传感器获取光线亮度条件,并转换为S分量用来处理。以下是具体的模块实现:通过向HCS12单片机中设置环境亮度以及色温,控制4线共阴的全彩LED,通过采样电阻反馈RGB三种颜色驱动电路中的电流信号,从而通过调节三色比例达到调节色温的目的。再通过光亮度传感器向单片机反馈数据,直接调节总线驱动电路限定额定最大电流,从而控制全彩LED灯光的亮度。当调节为白色灯光时,只需固定好三色比例为1:1:1,从而直接调节总线驱动电路就可调节LED的光亮度。这里需要对每路驱动电路分别使用PT4115作为驱动电路。

  

  4 软件设计及仿真

 

  这里稳定色温采用离散PID调节的方式:

  

  首先进行参数的设定,A/D转换之后通过加法器获取H分量,H分量代表色温,通过PID调节稳定色温达到在调节LED亮度之后,颜色不变。通过调节P,I,D三个参数,让光亮度的变化可以尽量地适应人眼对于光的感受。PID调节与仿真见图6。

 

  

 

  5 结语

 

  本文讨论了LED恒流源PWM调节,介绍了PWM调节的电路,并提出了一种基于HSI模型的驱动控制电路,通过HSI模型控制RGB模型,并且可以通过三色驱动电路比例调节达到所需要的颜色。该电路可以克服调节亮度的时候会产生色差,亮度不好调节的问题,根据个人喜好调节LED灯具的光强和色温,通过直接调节总线驱动电路限定额定最大电流,从而控制全彩LED灯光的亮度,从而使此驱动电路达到了良好的照明效果。

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