電容式感應(yīng)觸摸技術(shù)在LED燈具中的應(yīng)用

苗雨橋 李響

(北京銓富光電科技有限公司 北京 100102)

0 引言

LED(Lighting emitting diode)作為新一代照明產(chǎn)品，以其高光效，長壽命，小型化已經(jīng)開始逐步開始了替代傳統(tǒng)照明的產(chǎn)品。但是由于LED是典型的半導體器件，在與傳統(tǒng)的照明產(chǎn)品相比起來，調(diào)光適應(yīng)性是一個比較嚴峻的考驗。目前比較成熟的LED調(diào)光技術(shù)為PWM式調(diào)光，其主要的優(yōu)點在于可以通過調(diào)節(jié)PWM的占空比來精確控制流經(jīng)LED的電流，進而精確控制LED的發(fā)光亮度。

1 觸摸感應(yīng)控制

觸摸感應(yīng)原理是利用電阻電容網(wǎng)絡(luò)充放電振蕩原理，通過以人體觸摸作為系統(tǒng)的感應(yīng)接入端，同時以人體對大地形成的電容廠，改變電路本身的參數(shù)特性，來使系統(tǒng)感知人體接入系統(tǒng)，從而達到各種不同的控制目的。電容式感應(yīng)觸摸開關(guān)不需要人體直接接觸金屬，可以徹底消除安全隱患，并且不受天氣干燥潮濕，人體電阻變化等影響，使用更加方便。沒有任何機械部件，不會磨損，無限壽命，減少后期維護成本。

平行介質(zhì)的電容數(shù)學表達為：

C= (k×□×A)/d

其中（見圖1a）C—平行介質(zhì)的電容值，F(xiàn)；A—平行區(qū)域的表面積，m；d—平行區(qū)域介質(zhì)之間的距離，m；□—平行區(qū)域的介電常數(shù)，F(xiàn)/m。

基于人體的感應(yīng)觸摸電氣模型可以表示圖1b。當人體接觸甚至接近感應(yīng)電極的時候，感應(yīng)電極與參考地之間的電容值即會發(fā)生相應(yīng)的變化，而這個變化會立即被系統(tǒng)捕獲，從而使系統(tǒng)作出相應(yīng)的變化，對應(yīng)LED燈具，即為改變控制PWM的占空比來調(diào)節(jié)LED的電流值。

觸摸感應(yīng)的虛地問題通常存在于封閉式系統(tǒng)（封閉式系統(tǒng)指同外界沒有直接的參考地關(guān)系的系統(tǒng)），一般這類系統(tǒng)都主要是有電池的便攜式設(shè)備，由于電池的存在，其供電的參考地（電路信號參考地）與人體的參考地（實際的大地）實際的電氣參考不同，所以會導致在觸摸感應(yīng)在這類系統(tǒng)中應(yīng)用存在一些問題；見圖2。

實際解決這類問題的辦法最常用的方法既是，增加觸摸電極的數(shù)量，將其中一個或多個電極互為電氣參考，這樣就可以大大增加系統(tǒng)的信噪比，提高穩(wěn)定性。

2 LED驅(qū)動電路

LED由于本身半導體元件的特點，使得其在具體應(yīng)用中有較多的主意事項，通常針對照明領(lǐng)域的LED光源芯片，都有著功率較大，并且工作范圍較寬的特點；而在另一方面LED本身的發(fā)光亮度是與流過其電流的大小成正比例，所以一般的LED驅(qū)動設(shè)計中，都盡量將LED的排列成多串聯(lián)，少并聯(lián)的形式，來消除由于LED本身節(jié)壓離散性對于系統(tǒng)的影響, 因此在低壓燈具的設(shè)計中，通常會使用到升壓恒流源的線路拓撲結(jié)構(gòu)。

TI（德州儀器）公司，作為全球最大的半導體解決方案供應(yīng)商，有非常豐富的LED驅(qū)動產(chǎn)品線，針對不同的應(yīng)用（例如功率，輸入特性，輸出特性等），其推出了很多有競爭力的產(chǎn)品。這里著重介紹一下TPS61500這款專門為LED設(shè)計的驅(qū)動器。TPS61500內(nèi)置有3A，40V的N通道MOSFET，這使得它的應(yīng)用可以做到小型化設(shè)計，外部電路僅需電感器，電容器即可完成初級功能設(shè)計，同時其寬范圍的電壓輸入2.9V-18V可以適應(yīng)低電壓的電池設(shè)計和相對高電壓的外接DC電源設(shè)計，具有良好的可擴展性。同時其TSSOP14的封裝，在封裝底部加入散熱焊盤，有效的降低芯片的熱阻，進而提高系統(tǒng)的可靠性，防止其熱過載導致失效，其封裝外形如圖3。

同時此產(chǎn)品集成了過壓保護OVP(Pin11)，這個功能在產(chǎn)品量產(chǎn)中有效的防止由于測試開路造成的額外損失。另外由于LED設(shè)計為開關(guān)式電源，其本身會有一定的EMC的問題產(chǎn)生，針對這個原理性問題，芯片開放出FREQ(Pin10),可以通過此管腳外接電阻來設(shè)定內(nèi)部MOSFET的開關(guān)頻率，這樣可以結(jié)合外部電路設(shè)計，選擇匹配的元件，來降低EMC的干擾問題，其器件內(nèi)部功能如圖4

3 PWM調(diào)光方式

PWM(Pulse Width Modulation)簡稱脈寬調(diào)制，是利用數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的一種常見的有效的技術(shù)手段。通常的電路設(shè)計需要在LED的驅(qū)動主干路上增加開關(guān)元件來實現(xiàn)調(diào)光的功能，如圖5a。

這種調(diào)光方式有一個比較嚴重的問題是，其開關(guān)干路負載，會產(chǎn)生比較大的開關(guān)損耗，同時由于電子元件寄生參數(shù)的影響會產(chǎn)生一些電流的奇變，嚴重時甚至會影響整個系統(tǒng)的性能。針對這個問題的改良，可以使用電壓式調(diào)節(jié)的辦法，其直接針對反饋端調(diào)整，如圖5b。

為利用這種更優(yōu)化的方式，我們通過簡單的RC濾波器將PWM的系統(tǒng)變換成對應(yīng)的直流信號，來控制干路電路，進而實現(xiàn)調(diào)光功能，如圖5c。

4 LED燈具系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合以上介紹的技術(shù)，將其綜合應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計中，其共涉及有7個部分，如附圖6。

(1)外接的5V適配器（Adapter），選用市場中標準的DC017插頭，實現(xiàn)AC-DC的初次變換。

(2)充電器設(shè)計(Charger)，選用TI的線性充電產(chǎn)品BQ2407X，實現(xiàn)鋰離子電池的充電管理。

(3)電路軟開關(guān)功能(Power Path SW), 用于降低充電器的電流量，同時保護鋰離子電路反向放電。

(4)單芯鋰離子電池(Battery)，實現(xiàn)產(chǎn)品的便攜化功能。

(5)LED 恒流驅(qū)動器(LED CC Driver),使用TPS61500完成升壓式恒流驅(qū)動設(shè)計。

(6)調(diào)光控制器(Dimming Controller), 使用簡單的單片機實現(xiàn)PWM的輸出功能，進而實現(xiàn)調(diào)光。

(7)光源（LED），使用高光效的白光LED芯片，確保光品質(zhì)以及光通量。

5 結(jié)論

在詳細分析介紹了 觸摸感應(yīng)原理，LED驅(qū)動技術(shù)以及PWM調(diào)光方式后，提出了整個燈具的設(shè)計方案。并且將其成功應(yīng)該至實際產(chǎn)品中，大大提高了照明產(chǎn)品的科技含量和人性化設(shè)計。

[1]Texas Instruments, 3A Boost Converter for High Brightness LED Driver with Multiple Dimming Methods.www.TI.com, 2008

[2]Eduardo Muriel Hernandez, Ulises Corales, RTAC Americas.Enabling an MCU for touch sensing with Proximity sensor software.Freescale Semiconductor AN3579.