高亮度LED燈在照明方面的運用範圍愈來愈廣。本文說明簡單的「情境照明燈」，這種照明設備僅採用幾種元件。三個LED燈均採用切換式穩壓器來供應恒定電流，並以MSP430微控制器所產生三組 PWM 訊號來調控亮度，。印刷電路板可裝設於霧面玻璃檯燈內，亦可用於間接照明的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，原因在於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製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。於是，我們也在電路中採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。我們並未採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。
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並非完全呈正比關係；其次，燈光的波長(即顏色)會隨著電流變化而改變，以致於不符該LED燈的額定值；這兩種現象都是業者極力要避免的問題。
較複雜的控制方式是採用恒定電流來源，這種電源已經過設定，可以為LED供應額定的運作電流。新增一個電路後，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鬆調整LED燈的亮度，這種方式稱為脈衝寬度調節(Pulse Width Modulation, PWM)。
運用PWM調暗燈光
本文以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。這種方法的優點在於簡單：不需要使用其他元件，而在切換式穩壓器停用時，洩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燈對於啟用接腳的高層級回應會延遲，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，但在本次示範中，一般肉眼並不能察覺這個現象。
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體而與 TPS62260的誤差放大器輸入結合。在這個電路中，施加於控制輸入的600mV 以上正極電壓會過度驅動誤差放大器而將LED關閉。由於這個電路未採用啟動輸入，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。
在這個設定中，前述電流升降所造成的輸出波長變化小到可以忽略；不僅如此，我們的實驗發現，PWM 頻率可提高至5kHz。
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的電力消耗於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。
實際電路
電路(圖3與圖4)的核心為MSP430F2131微控制器，其設定為以三重PWM產生器運作，並從旋轉編碼器(rotary encoder) (R1)中讀取數值。編碼器的數值是用來檢索包含紅、綠、藍LED燈標記間隔率值的查詢表。輸出接腳TA0、TA1、TA2會有對應的 PWM 訊號，頻率約為122Hz。這個頻率相當高，足以確保LED燈不會閃爍，因為人類視覺會填補個別燈光脈衝的間隙，達到平均的感受強度值。
在實際情況中，我們選擇圖2標紅色的 PWM 控制方式，因為它能在電路複雜度與效能間取得平衡。每個紅(D14)、綠(D24)、藍(D34) LED燈都由獨立的TPS62260 DC/DC轉換器供應恒定電流。2Ω 電阻會將流經LED燈的額定電流調整為300 mA。若採用TPS62290可獲得更高的電流(高達1A），該裝置為TPS62260的進階版，具有相同封裝樣式。
PWM 訊號則以小訊號二極體(D13、D23、D33)耦合。若PWM訊號高，會改寫對應於切換式穩壓器的一般誤差訊號輸出，這類切換式穩壓器的閥值電壓水準為600 mV。這表示高PWM訊號會迫使LED燈熄滅，而若之後PWM訊號降低，穩壓器會再次啟動，LED燈便亮起。整個電路是由調節型5 V 1 A DC電路轉接器供電。以電阻建立的簡易電壓穩定器與季納二極體(Zener diode)，可將 MSP430微控制器的5 V電壓降至3.3 V。
這個電路可建立於印刷電路板上，如圖5所示。電路板分為三種版本，差異僅在於 LED 燈的尺寸與連接配置，適用於不同類型的LED燈。有關現有的 LED 燈選項，請見零件清單。
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，我們用於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SK47710 型散熱片(由 Fischer Elektronik製造)，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)。散熱片也有助於將熱能分散到印刷電路板的各部分。
軟體
此一應用程式的MSP430軟體原始碼可以從Elektor網站下載。原始碼的開頭為MSP430F21x2.h標頭檔案，包含MSP430中全部的控制暫存器名稱及控制位的定義。接著定義色碼表(color table)的長度。此時須注意，LED_TabLength的數值實際上是設定為色碼表的四倍長。接著是色碼表本身，每個LED燈都有獨立的陣列。指標LEDptr可用於讀取個別色碼表陣列中三個輸出的PWM標記間隔率設定：詳見文字方塊「色碼表」。
微控制器會在函數main( )的開頭初始化。監測計時器會停用，可調整系統頻率的校準值也會載入，Timer_A模組也經過設定，而多工輸入與輸出也會經過適當初始化。主要回路包含兩個while區塊。在第一個while區塊中，色碼表指標LEDptr會累加，造成PWM標記間隔率持續變化，因此產生顏色。這些顏色變化的整體計時是以兩個巢狀for迴圈控制。第一個while迴圈會持續運作，直到旋轉編碼器回報其中一個輸出產生變化為止。第二個while區塊為無盡迴圈，會接著控制：根據旋轉編碼器的轉換方向來增加或減少色碼表指標。
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於安裝德州儀器的Z430-RF2500無線電模組。eZ430-RF2500套件包含兩個無線電模組，其中一個套件可安裝旋轉編碼器(使用無線電模組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。
本文說明的電路板主要用於實驗與評估。由於MSP430原始碼已公開，因此可加以修改用於其他項目。切換式穩壓器也可用於其他方面，請儘量利用！
關於作者:
Dirk Gehrke 出生於德國敏斯特，曾於Dortmund University of Applied Sciences and Arts研究通訊技術，並於1998年進入德州儀器，曾在英國、法國、美國擔任應用工程師(FAE)。2000年起他在德國弗賴辛擔任電源管理產品的FAE，並於2006年1月成為EMEA(歐洲、中東地區與非洲)類比產品的業務開發經理。
Christian Hernitscheck在德國Landshut University of Applied Sciences研究電子工程，專攻微電子學。他自1998起擔任德州儀器的FAE，工作範圍涵蓋整個歐洲地區，主要業務為MSP430微控制器系列產品。
不論LED燈的功率為何，現在通常都以恒定電流為電源，原因在於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製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。於是，我們也在電路中採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。我們並未採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。
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並非完全呈正比關係；其次，燈光的波長(即顏色)會隨著電流變化而改變，以致於不符該LED燈的額定值；這兩種現象都是業者極力要避免的問題。
較複雜的控制方式是採用恒定電流來源，這種電源已經過設定，可以為LED供應額定的運作電流。新增一個電路後，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鬆調整LED燈的亮度，這種方式稱為脈衝寬度調節(Pulse Width Modulation, PWM)。
運用PWM調暗燈光
本文以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。這種方法的優點在於簡單：不需要使用其他元件，而在切換式穩壓器停用時，洩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燈對於啟用接腳的高層級回應會延遲，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，但在本次示範中，一般肉眼並不能察覺這個現象。
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體而與 TPS62260的誤差放大器輸入結合。在這個電路中，施加於控制輸入的600mV 以上正極電壓會過度驅動誤差放大器而將LED關閉。由於這個電路未採用啟動輸入，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。
在這個設定中，前述電流升降所造成的輸出波長變化小到可以忽略；不僅如此，我們的實驗發現，PWM 頻率可提高至5kHz。
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的電力消耗於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。
實際電路
電路(圖3與圖4)的核心為MSP430F2131微控制器，其設定為以三重PWM產生器運作，並從旋轉編碼器(rotary encoder) (R1)中讀取數值。編碼器的數值是用來檢索包含紅、綠、藍LED燈標記間隔率值的查詢表。輸出接腳TA0、TA1、TA2會有對應的 PWM 訊號，頻率約為122Hz。這個頻率相當高，足以確保LED燈不會閃爍，因為人類視覺會填補個別燈光脈衝的間隙，達到平均的感受強度值。
在實際情況中，我們選擇圖2標紅色的 PWM 控制方式，因為它能在電路複雜度與效能間取得平衡。每個紅(D14)、綠(D24)、藍(D34) LED燈都由獨立的TPS62260 DC/DC轉換器供應恒定電流。2Ω 電阻會將流經LED燈的額定電流調整為300 mA。若採用TPS62290可獲得更高的電流(高達1A），該裝置為TPS62260的進階版，具有相同封裝樣式。
PWM 訊號則以小訊號二極體(D13、D23、D33)耦合。若PWM訊號高，會改寫對應於切換式穩壓器的一般誤差訊號輸出，這類切換式穩壓器的閥值電壓水準為600 mV。這表示高PWM訊號會迫使LED燈熄滅，而若之後PWM訊號降低，穩壓器會再次啟動，LED燈便亮起。整個電路是由調節型5 V 1 A DC電路轉接器供電。以電阻建立的簡易電壓穩定器與季納二極體(Zener diode)，可將 MSP430微控制器的5 V電壓降至3.3 V。
這個電路可建立於印刷電路板上，如圖5所示。電路板分為三種版本，差異僅在於 LED 燈的尺寸與連接配置，適用於不同類型的LED燈。有關現有的 LED 燈選項，請見零件清單。
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，我們用於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SK47710 型散熱片(由 Fischer Elektronik製造)，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)。散熱片也有助於將熱能分散到印刷電路板的各部分。
軟體
此一應用程式的MSP430軟體原始碼可以從Elektor網站下載。原始碼的開頭為MSP430F21x2.h標頭檔案，包含MSP430中全部的控制暫存器名稱及控制位的定義。接著定義色碼表(color table)的長度。此時須注意，LED_TabLength的數值實際上是設定為色碼表的四倍長。接著是色碼表本身，每個LED燈都有獨立的陣列。指標LEDptr可用於讀取個別色碼表陣列中三個輸出的PWM標記間隔率設定：詳見文字方塊「色碼表」。
微控制器會在函數main( )的開頭初始化。監測計時器會停用，可調整系統頻率的校準值也會載入，Timer_A模組也經過設定，而多工輸入與輸出也會經過適當初始化。主要回路包含兩個while區塊。在第一個while區塊中，色碼表指標LEDptr會累加，造成PWM標記間隔率持續變化，因此產生顏色。這些顏色變化的整體計時是以兩個巢狀for迴圈控制。第一個while迴圈會持續運作，直到旋轉編碼器回報其中一個輸出產生變化為止。第二個while區塊為無盡迴圈，會接著控制：根據旋轉編碼器的轉換方向來增加或減少色碼表指標。
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於安裝德州儀器的Z430-RF2500無線電模組。eZ430-RF2500套件包含兩個無線電模組，其中一個套件可安裝旋轉編碼器(使用無線電模組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。
本文說明的電路板主要用於實驗與評估。由於MSP430原始碼已公開，因此可加以修改用於其他項目。切換式穩壓器也可用於其他方面，請儘量利用！
關於作者:
Dirk Gehrke 出生於德國敏斯特，曾於Dortmund University of Applied Sciences and Arts研究通訊技術，並於1998年進入德州儀器，曾在英國、法國、美國擔任應用工程師(FAE)。2000年起他在德國弗賴辛擔任電源管理產品的FAE，並於2006年1月成為EMEA(歐洲、中東地區與非洲)類比產品的業務開發經理。
Christian Hernitscheck在德國Landshut University of Applied Sciences研究電子工程，專攻微電子學。他自1998起擔任德州儀器的FAE，工作範圍涵蓋整個歐洲地區，主要業務為MSP430微控制器系列產品。
