本节应用7.6.2节所述的基于三基色混光的色温调节方法，设计一款亮度、色温独立可调的白光LED筒灯，其主要技术指标为，色温调节范围2700～6500K，调光范围0%～100%，输入电压AC220V，额定功率21W，色温、亮度调节指令给定方式为Zigbee无线方式^[14]。

1.光源设计

本设计采用薄荷色、琥珀色、蓝色三种基色的1W LED，三种LED芯片的主要光电参数见表7-1。经过优化选择，光源板上LED的数量配置为8颗薄荷色，7颗琥珀色，2颗蓝色，各基色的LED串联连接，三路独立驱动。为使三种基色的LED充分均匀混光，将各色LED在光源板上交叉环形排布，选择高导热系数铝基板作为散热板。

表7-1 三种基色LED芯片的主要光电参数

2.色温、亮度独立调节设计

在完全辐射体轨迹曲线上，从2700～6500K每隔100K选取一个点作为三基色混光的目标白光色温点，共计39个点，针对每个点分别采用7.6.2节方法得到对应的三路光通量输出最优值组，形成色温调节表{T_Mi，（Y_1Oi，Y_2Oi，Y_3Oi）|i=1，2，…，39}，根据该表，驱动电源即可通过调节各基色输出电流得到2700～6500K范围内的任一点色温。

下面以色温4000K为例简述其实现过程。设Y₁、Y₂、Y₃分别为薄荷色、琥珀色、蓝色LED的光通量输出，混光后的目标色温为4000K，可查出其色坐标为（0.38，0.377），Y_mixmax为混光后在该色温点可得到的最大光通量输出。把上述三基色及目标点参数代入式（7-10），可得

通过人工鱼群优化算法求取Y_mix的极大值及其对应的解（Y_1O，Y_2O，Y_3O），结果见表7-2。表中最后一列前三行为实现该最优光通量的各基色占空比（D_1O，D_2O，D_3O），即各基色最优光通量与实际可提供光通量之比，实际可提供光通量=单颗LED额定光通量×颗数；最后一列第四行为整个光源的光通量利用率，即混光后最优光通量与所有LED实际可提供的光通量之比。

表7-2 目标色温为4000K时的三基色配比

当需要调光且保持4000K色温不变时，假设调光比为D_DIM，D_DIM∈[0，100%]，此时各基色的占空比[D₁D₂D₃]=D_DIM[D_1O，D_2O，D_3O]，按此占空比调节各路输出电流，即可使混光输出的光通量也为最优光通量Y_mixmax的D_DIM倍。

3.驱动电源设计

本案例LED筒灯需要三路独立驱动，因此驱动电源采用两级结构，前级为大功率恒压源，后级为小功率多路独立恒流源。前级恒压源负责将市电转换为统一的恒定直流电压，并负责集中解决宽范围稳压、电气隔离、PFC、EMC、保护等共性问题；后级恒流源负责将恒压源的输出转换为稳定的直流电流驱动LED，这种电源架构通用性强，可以较好解决电源综合性能要求与多路独立可控的矛盾。此外，驱动电源中还集成了以单片机为核心的控制器，并具有无线通信接口，可以接收上位机设定的LED筒灯色温和亮度调节指令，控制器根据色温设定值查询色温调节表，并根据亮度设定值，计算出三路LED之间的亮度配比及每路亮度值，形成三路独立的PWM信号控制三路后级恒流电路。亮度、色温独立可调筒灯的结构，如图7-22所示。

图7-22 亮度、色温独立可调筒灯结构

前级恒压电路的输入电压为市电AC220V（±20%）、50Hz，输出为直流30V，主电路采用反激式拓扑结构，实现AC/DC转换和隔离，控制芯片采用ST公司的L6561，工作于临界模式，具有单级功率因数校正功能，通过输出电压反馈实现恒压控制，该恒压电路比较常见，这里不再赘述，具体设计可参见文献18。

三路后级DC/DC恒流电路均采用Buck拓扑主电路，输入统一为前级恒压电路输出的直流30V，输出分别为薄荷色24V/350mA、琥珀色17V/400mA、蓝色7V/350mA。控制芯片采用美国Supertex公司的HV9910B，工作在固定关断时间的PFM模式，电路如图7-23所示，该芯片的工作原理可参见6.7.1节。图中，Buck主电路由二极管VD、电感L和MOS管Q构成，电路通过MOSFET的通断来控制LED负载电流；电阻R_CS检测流过MOSFET的电流并转化为电压反馈给芯片的CS引脚，并与内部的250mV参考电压做比较产生控制PWM信号实现恒流控制；电阻R_T接在芯片的RT引脚和GATE引脚间，使电路工作在固定关断时间模式；电容C₁、C₂、C₃为滤波电容；LD引脚连接至芯片内部电源端VDD以禁止线性调光；PWMD引脚接收由控制器发出的调光PWM信号，控制器通过改变PWM信号的占空比来实现对流过LED电流的调节，进而实现对LED输出光通量的控制。

图7-23 基于HV9910B的恒流驱动电路(www.daowen.com)

薄荷色恒流驱动电路的参数设计如下。

（1）定时电阻R_T与关断时间T_OFF

电路采用固定关断时间模式，该时间由定时电阻R_T设定。本设计将固定关断时间设为T_OFF=2.5μs，则根据HV9910B芯片手册^[19]，定时电阻应为

R_T=（25T_OFF-22） （7-19）

式（7-19）中T_OFF单位为μs，R_T单位为kΩ，则计算可得R_T≈40kΩ，选取阻值与之最接近的标准电阻值39kΩ，则实际关断时间约为2.4μs。

（2）电感L

电感值决定了输出电流纹波的大小，通常假定输出电流纹波的峰-峰值为平均电流的30%，则可以据此计算电感值的大小。考虑在MOSFET关断期间，流过LED的正向电流依靠电感释放能量维持，故有

代入相应数值，可得L=（24×2.4）/（0.3×0.35）μH≈548μH，取与之最接近的标准电感值560μH，由于实际值略高于理论计算值，故电路纹波电流将小于30%。

（3）电流采样电阻R_CS

电流采样电阻决定电路峰值电流，流经电感L和LED的峰值电流I_PK为LED平均输出电流与纹波电流一半之和，芯片CS引脚参考电压为250mV，故有

代入相应数值，可得R_CS=0.62Ω。

（4）MOS管Q和二极管VD

MOS管的选择需考虑电路中流过该管的最大电流及峰值电压。一般电路的输入电压就是MOSFET关断时承受的峰值电压，考虑50%的安全裕量，则其最大电压为45V；电路额定输出电流为350mA，选择MOS管额定电流为上述电流3倍（即为1.05A）。因此，选用额定值为100V/10A的功率MOS管B0210D。

当MOSFET导通时，二极管VD截止，承受峰值反向电压，取45V；二极管承受的最大电流为350mA+电流纹波，故选用最大反向压降60V、最大正向电流3A的肖特基二极管SS36。

（5）输入电容C₁、输出电容C₂、旁路电容C₃

输入和输出端电容C₁、C₂选用4.7μF/50V的电解电容，来滤除低频杂波。为保持HV9910B内部电源电压VDD的稳定，设置了2.2μF/50V的旁路电容C₃。

4.控制器设计

控制器微处理器采用AVR ATmega48，该芯片有6通道PWM，使用其中3个通道作为PWM调光信号；外围电路主要包括晶振、复位、Zigbee接口电路等，Zig-bee接口采用半功能节点作为终端节点。