基于HSI模型的全彩LED驱动电路设计
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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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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