LED调光设计与研究.docx
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LED调光设计与研究
目次
1绪论
1.1题目的来源及研究意义
照明灯调光是将装饰在建筑空间不同层次的照明灯进行亮度调节，从而产生出美化室内的光感空间环境，创造出满足视觉审美要求的环境气氛。
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随着LED应用市场的持续快速发展，应用范围的持续扩大也导致了对产品要求的不断提高，在LED终端产品中关于LED亮度的调节这项功能也就显得十分的必要,也是目前如LED灯具和显示屏等必须注重的环节。
如今，LED照明已确然成为一项主流技术。
该项技术正日臻成熟，标志之一就是大量LED照明标准和规范的陆续出台。
严格的效率要求已存在相当一段时间了，今后仍将不断提高。
但近段时间，LED照明设计师的工作却更为棘手了，因为要同时满足以下两项要求：
既要用针对白炽灯的调光器来实现调光控制功能，又要实现高功率因数性能，对于LED亮度的调节，目前主要分为模拟调光和PWM调光。
而调光是照明系统非常常见的功能。
对于白炽灯来说，它可以以低成本轻易实现。
LED灯的调光却存在一定难度，但对于建筑师和住宅用户来说，在转换到LED照明时可不愿失去调光控制应有的优势。
本课题就将对LED调光的相关情况进行介绍。
1.2国内外调光系统的发展概况
1.2.1国外调光系统的发展现状
最早的一个记录调光器是威伍兹的“安全调光器”，发表于1890年调光器在此之前，有可能引起火灾。
早期调光器是通过直接控制操作手册的大型调光板，但是这意味着所有权力来通过照明控制的位置，这可能是不便和潜在危险，特别是与系统有大量的渠道，高功率灯或两者（如舞台舞厅或其他类似的场地）。
早期的调光台极像一座钢琴，这座钢琴（调光台）分成两排琴键以现今集控（Submaster）的方式进行演出，并以琴键的黑键作为灯光的色彩变换。
在接下来的日子里由琴键改变为推杆型可变电阻已成为今天的形式。
但通讯协议还是一直沿用0-10V直流讯号（见上文通讯协议发展经过），而操作介面更是异常简单。
这情况一直到了60年代斯全德公司把记忆单元（当时为磁环线圈阵列）首次放到调光台上开始，整个调光台的操作模式与介面产生了巨大的变化。
而在70年代初、第一台有着现代化功能的数字式运算记忆调光台MMS正式问世。
今天所使用的三项标准-即集控（Submaster）、场（Cue）和效果（Effect）均为配合舞台演出的需要而产生且这些功能都必须依附在记忆功能上存在。
当可控硅调光器投入使用，模拟远程控制系统（通常是0-10V时照明控制系统）是可行的。
该线的控制系统小得多（低电流和更低的危险）较沉重的电力电缆以往的照明系统。
每个暗有其自身的控制线这意味着大量的电线离开照明控制的位置和运行的各个黯淡。
现代系统采用数字控制协议，如DMX512，ETCnet，或ETCnet2，控制了大量的调光器（和其他舞台设备）通过一个电缆。
在20世纪60年代以前，舞台上的调光设备从盐水缸至大型功率可变电阻都是以改变交流电源的下弦波峰来对灯泡负载进行调光。
这种形式的缺点在于大量的热能损失和设备体积非常巨大，但优点是不存在干扰噪音。
20世纪60年代电子工业的迅速发展、单向可控硅（SCR）与双向可控硅（TRAIC）的先后发明使调光器在体积上变小、工作温度上减少和可能利用低压记号对调光器进行控制。
这就是调光硅，但这种以触发相切割波形的方式带来了电力系统中的断续电流问题。
在标准的三相供电系统中，这些谐波能令在中心线导体的电流增加至正常的1.4倍。
谐波会产生可听噪音，会令电力输送系统的金属导体甚至变电变压器产生高热。
在欧盟国家中提倡制定法律要求调光系统必须要以低水平的谐波泄漏为原则。
在另一方面，市场上使用相切割波形调光硅的缺点愈见明显。
愈来愈多的灯具已不是昨天的纯电阻性负载。
这些日光灯管、电子调光镇流器、LED灯、电子或电磁式低压变压器及一切非传s光源都有一共通点，就是相切割波形调光硅已大大远离对这些类型光源进行调光的合理性。
虽然后来的调光器发展方向以IGBT为功放元件的逆向相切割波形调光器为取向，因为它的出现而可以在技术上取消了笨重的滤波线圈。
但原来相切割波形方式的问题还是存在，只是可以减轻重量罢了。
1.2.2国内调光系统的发展现状
随着中国市场经济的发展与精神文明建设的需要，国内许多省、市、企业都在兴建电视台、大型舞台、体育场馆。
在所有这些灯光控制场合中，所需的调光回路，从一百多至几百回路，这么多路灯都必须在灯光师个人的操作下进行变化控制，这就要求灯光控制设备要有较好的集中控制性能。
为了满足舞台影视灯光的集中控制需要，调光控制技术的发展从最早的强电配电板、分组控制、分场控制发展到现在的数字化控制阶段。
最近几年灯光控制系统生产厂家迅速崛起，如广州河东电子有限公司就是其中的典型。
河东企业生产的大回路电脑调光台HDL-2848经过多年的发展和完善，以性能价格比高（国外同类产品价格的一半），操作（集控、Q场、效果等）灵活和编辑修改方便、性能稳定可靠、独有的中英文用户界面等特点深受电视台演播厅、剧场、体育场馆、多功能厅、电教馆灯光师的欢迎。
目前，国内调光控制台种类比较齐全，有模拟、数字、电脑调光台，也有小回路、中回路和大回路调光台，可以充分满足各类场所的演出需要，而且无论人产品质量、技术水平方面看都在迅速地接近国际先进水平。
特别是国内生产的数字调光台，价格合理，功能强（可编程集控，走灯效果，音频控制等），兼容性好（既有数字信号也有模拟信号输出）。
从技术上看，调光器可分为模拟式、半数字式和全数字式三类。
全数字调光器技术最先进，目前在国际上，在国内以调光一致性好、调光精度高、调光范围大、调光曲线多，智能化程度高等特点风靡影视专业灯光界。
1.3LED的介绍与发展前景
1.3.1什么是LED？
LED（LightEmittingDiode），中文含义是发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，可以直接把电转化为光，具有体积小、耗电量低、使用寿命长、亮度高、热量低、环保、耐用等特点。
主要应用于各种室内、户外显示屏，汽车内部的仪表板、刹车灯、尾灯，电子手表，手机等。
1.3.2LED的优点
1）体积小
LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常小，非常轻。
2）耗电量低
LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦），电光功率转换接近30%。
一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A；这就是说，它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果比传统光源节能近80%。
3）使用寿命长
有人称LED光源为长寿灯。
它为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。
4）高亮度、低热量
LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。
5）环保
LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。
光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源
6）坚固耐用
LED被完全封装在环氧树脂里面，比灯泡和荧光灯管都坚固。
灯体内也没有松动的部分，使得LED不易损坏。
1.3.3LED在照明领域的发展
从1962年第一只红光半导体发光二极管诞生起，人们不断开发出橙、黄、绿等多种单色LED，并用于各种信号指示、标识、数码显示，逐步发展到小型LED显示屏等。
1991年业界采用MOCVD外延生长四元系材料，开发出高亮度发光二极管；1994年在GaN基片上研制出第一只蓝色的发光二极管；1997年通过蓝光激发荧光粉，做出第一只白光LED；2001年用紫外光激发荧光粉做成了白光LED。
高亮度半导体发光二极管作为光源已逐步进入光色照明、装饰照明领域，并形成产业。
由于技术不断突破，发光效率不断提高，功率LED已经产业化，多芯片组合的白光LED功率更是大幅提高。
LED逐步进入照明领域，如LED汽车灯、LED背光源、LED手电筒、LED台灯、LED射灯、LED路灯、LED隧道灯、LED室内普通照明等。
LED在目前阶段，其光效还远未达到可以取代三基色萤光灯的程度，但是以其独特的长处，可以在安全特地电压（游泳池、划水池内水下灯具、矿灯）条件下高效工作。
此外，在直接采用绿色电能（太阳能、风能等），以及应急照明方面也有着其独特的优势。
尤其在调光方面，LED不仅可实现0~100%的调光，并且可保证在整个调光过程保持较高光效，并且不损害LED的寿命，而气体放电灯则很难做到这一点。
1.4论文研究的主要内容
本文旨在研究通过单片机对LED的灯光控制，根据硬件系统能实现的功能：
键盘控制调节亮度。
本文的主要内容有：
1）深入了解国、内外相关技术研究现状，设计适合于本系统的电路；
2）熟悉MCS-51系列单片机，掌握其结构原理、指令系统及硬件电路的直接设计方法；
3）设计调光系统的外围电路，包括键盘、电源、LED驱动等；
4）学习仿真Keil软件，根据硬件电路的系统功能设计软件系统，编写相应的硬件驱动程序及其它基本系统程序并对其编译仿真；
2系统设计方案
2.1系统方案设计
根据设计系统所要实现的功能，本系统硬件结构以单片机AT89C51为核心，单片机产生占空比可变的矩形波，当产生此矩形波的I/O口通过LED驱动模块对LED即达到了调光的目的。
其功能及特点：
按键控制调光渐亮，渐暗；
硬件结构图如图2-1所示。
图2-1系统结构图
系统中采用AT89C51单片机作为处理器，其功能用来控制调光和时间日期显示是完全满足的。
双输出电源对单片机产生外部中断同时给LED供电，单片机在外部中断中启动定时器并通过按键对定时器赋不同的值，每当定时器满时，单片机会通过I/O口发出PWM，通过驱动控制灯光的亮度调节。
2.2单片机技术
2.2.1单片机概述及特点
当今时代被人们称为信息时代，计算机技术迅速发展，其在工业、农牧业、国防、科研及日常生活等领域发挥着重要的作用，成为各国工业发展水平的重要标志之一。
而单片机的出现是计算机技术发展史上的一个重要里程碑，它使计算机从海量数值计算进入到智能化控制领域。
单片机是把微型计算机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。
从1976年8位单片微机诞生以来，至今已发展有16位单片微机、32位单片微机[1]，但一直是以8位机为主流机型，单片微机的发展如日中天，全世界的年产量已达100亿片，在中国年用量达6亿片，而且还在不断迅速增长。
其应用也相当广泛，从民用电器、机电一体化产品到航空航天技术、人工智能、工业机器人等一个极其广泛的领域中[2]。
单片机发展如此迅速应用如此广泛有其自身的特点：
1）集成度高：
单片机把CPU、RAM、ROM、I/O接口以及定时器/计数器都集成在一个芯片上，和常规计算机系统相比，它具有体积小，集成度高的特点。
2）存储量大：
采用16位地址总线的8位单片机可寻址外部64KB数据程序存储器。
此外，大部分单片机还有片上RAM（一般为128~256B）和内部ROM（一般为2~4KB），在大多数情况下，内部存储器就已经足够了，从而减少了器件的使用数量，降低了成本。
3）性能高、速度快：
为了提高速度和执行效率，单片机使用RISC体系结构、并行流水线操作和DSP等设计技术，指令运行速度大幅度提高。
一般单片机使用的时钟频率可以达到12MHz[3][4]。
4）抗干扰性强：
单片机各功能件都集成在一块芯片上，特别是存储器也集成在芯片内部，因此单片机布线短，大多都是在芯片内部传送数据，因此不易受到外部的干扰，增强了抗干扰能力，系统运行更加可靠。
5）指令丰富：
单片机一般都有传送指令、逻辑运算指令、转移指令、加减运算指令和位操作指令，有些单片机还具有乘法及除法运算指令。
6）可靠性高、易扩展、控制功能强也是单片机被广泛应用的特点。
2.2.2单片机的内部结构
与单片机相比，微型计算机是一种多片机系统。
它是由中央处理器（CPU）芯片、ROM芯片、RAM芯片、I/O接口芯片等通过印刷电路板上总线连成一体的完整计算机系统。
其中，中央处理器（CPU）的字长，功能强大，ROM和RAM的容量很大，I/O的功能也很大，这是单片机无法比拟的。
因此单片在结构上与微型计算机十分相似，是一种集微型计算机主要功能部件于同一块芯片上的微型计算机，并由此而得名。
单片机的内部结构如图2-2所示。
其中，中央处理器是通过内部总线与ROM、RAM、I/O接口以及定时器/计数器相连的。
图2-2单片机内部结构图
1）存储器：
在单片机内部，ROM和RAM存储器是分开制造的。
通常，ROM存储器容量是很大，RAM存储器的容量较小，这是单片机控制的一大特点。
ROM用于存放应用程序，称为程序存储器，在控制系统中一旦系统研制成功，其硬件和应用程序均已定型。
为了提高系统的可靠性，应用程序通常固化在片内ROM中。
RAM是随机存储器，容量为64～256字节，最多可达48K字节。
其主要用来存放实时的数据或作为通用寄存器、数据堆栈和数据缓冲器之用。
2）处理器（CPU）：
中央处理器的内部结构极其复杂，通常由运算器、控制器和中断电路等组成。
其中运算器用于对二进制数进行算术运算和逻辑操作；其操作顺序在控制器控制下进行。
运算器由算术逻辑单元ALU、累加器A、通用寄存器R0、暂存器TMP和状态寄存器PSW等五部分组成。
控制器是发布操作命令的机构，是计算机的指挥中心，相当于人脑的神经中枢。
控制器由指令部件、时序部件和微操作控制部件等三部分组成。
指令部件是一种能对指令进行分析、处理和产生控制信号的逻辑部件，也是控制器的核心。
通常，指令部件由PC（程序计数器）、IR（指令寄存器）和ID（指令译码器）三部分组成。
时序部件是由时钟系统和脉冲分配器组成，用于产生微操作控制部件所需的定时脉冲信号[5][6]。
微操作部件可以为ID输出信号配上节拍电位和节拍脉冲，也可与外部进来的控制信号组合，共同形成相应的微操作控制序列，以完成规定的操作。
3）总线：
单片机内部总线是CPU连接片内各主要部件的纽带，是各类信息传送的公共通道；内部总线主要由三种不同性质的边线组成，它们是地址线、数据线和控制/状态线。
地址线主要用来传送存储器所需要的地址码或外部设备的设备号，通常由CPU发出并被存储器或I/O接口电路所接收。
数据线用来传送CPU写入存储器或经I/O接口送到输出设备的数据，也可以传送从存储器或输入设备经I/O接口读入的数据。
控制/状态线有两类：
一是CPU发出的控制命令，如读命令、写命令、中断响应等；另一类是存储器或外设的状态信息，如外设的中断请求、存储器忙和系统复位信号等。
4）I/O接口和特殊功能部件：
I/O接口电路有串行和并行两种。
串行I/O用于串行通信，它可以把单片机内部的并行8位数据变成串行数据向外传送，也可以串行接收外部送来的数据并把它们变成并行数据送给CPU外理。
并行I/O口电路可以使单片机和存储器或外设之间并行地传送8位数据。
特殊功能部件包括定时器/计数器、A/D和D/A、DMA通道和系统时钟等电路。
定时器/计数器用于产生定时脉冲，以实现单片机的定时控制。
2.3LED调光
2.3.1LED调光的方式
LED的调光方式分为两种：
模拟调光和PWM调光
1）模拟调光
模拟调光方式是通过连续的方式线性的调节流过LED的电流，来改变灯的发光亮度，可以较大范围内调节LED的亮度。
模拟调光技术是通过利用一半的电流驱动LED可降低一半的亮度。
尽管不是绝对的1:
1，但LED的亮度随正向电流的变化而变化。
2）PWM调光
PWM调光是通过反复的通断来改变开关电流的脉宽而不是改变电流幅值，从而达到调节LED亮度的目的。
流过LED的平均电流与调节占空比是线性关系，而人眼的频率响应是60Hz及以下，因此高于60Hz以上的频率开关LED，人眼就会看到平均的LED亮度。
图2-3模拟调光与PWM调光的对比
2.3.2PWM技术
脉宽调制PWM是开关型稳压电源中的术语。
这是按稳压的控制方式分类的，除了PWM型，还有PFM型和PWM、PFM混合型。
脉宽宽度调制式（PWM）开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。
1）PWM软件法控制充电电流
该方法的基本思想就是利用单片机具有的PWM端口，在不改变PWM方波周期的前提下，通过软件的方法调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比，从而控制充电电流。
该方法所要求的单片机必须具有ADC端口和PWM端口这两个必须条件，另外ADC的位数尽量高，单片机的工作速度尽量快。
在调整充电电流前，单片机先快速读取充电电流的大小，然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较，若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整PWM的占空比；若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整PWM的占空比。
在软件PWM的调整过程中要注意ADC的读数偏差和电源工作电压等引入的纹波干扰，合理采用算术平均法等数字滤波技术。
2）PWM在推力调制中的应用
1962年，Nicklas等提出了脉冲调制理论，指出利用喷气脉冲对航天器控制是简单有效的控制方案，同时能使时间或能量达到最优控制。
脉宽调制发动机控制方式是在每一个脉动周期内，通过改变阀门在开或关位置上停留的时间来改变流经阀门的气体流量，从而改变总的推力效果，对于质量流率不变的系统，可以通过脉宽调制技术来获得变推力的效果。
脉宽调制通常有两种方法：
第一种为整体脉宽调制，对控制对象进行控制器设计，并根据控制要求的作用力大小，对整个系统模型进行动态的数学解算变换，得出固定力输出应该持续作用的时间和开始作用时间；第二种为脉宽调制器，不考虑控制对象模型，而是根据输入进行“动态衰减”性的累加，然后经过某种算法变换后，决定输出所持续的时间。
这种方式非常简单，也能达到输出作用近似相同。
脉宽调制控制技术结构简单、易于实现、技术比较成熟，俄罗斯已经将其成功地应用于远程火箭的角度稳定系统控制中。
但是当调制量为零时，正反向的控制作用相互抵消，控制效率明显比变流率系统低。
而且系统响应有一定的滞后，其开关的频率必须远大于KKV本身的固有频率，否则不但起不到调制效果，甚至会发生灾难性后果。
3）在LED中的应用
在LED控制中PWM作用于电源部分，脉宽调制的脉冲频率通常大于100Hz，人眼就不会感到闪烁。
3硬件电路的设计
3.1单片机部分
3.1.1晶振电路的设计
单片机的定时控制功能是用片内的时钟电路和定时电路来完成的，而片内的时钟产生有两种方式：
内部时钟方式和外部时钟方式。
本课题采用内部时钟方式，片内高增益反相放大器通过XTAL1和XTAL2外接作为反馈元件的晶体（呈感性）与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器向内部时钟电路提供振荡时钟[7][8]。
AT89S52工作的时钟频率为0～33MHz。
对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度。
本设计中选择12MHz的石英晶振与30pF的电容构成并联谐振电路，电路如图3-1所示。
图3-1晶振电路
3.1.2复位电路的设计
复位是单片机的一个重要工作状态。
当单片机应用系统出现程序运行错误、系统操作错误而死机或单片机开机后进行初始化时常常需要复位操作，其作用是使CPU和单片机系统中其它相关部件都处于一个确定的初始状态，并从这一状态开始工作。
AT89S52的复位引脚（Reset）是第9脚，当此引脚连接高电平超过2个机器周期（1个机器周期为6个时钟脉冲），即可产生复位的动作。
常见的复位电路有上电自动复位和上电按钮复位电路，本系统采用上电按钮复位电路方式。
复位前，由于单片机9脚经电阻接地，所以呈低电平，当按键开关按下时，9脚由于点位提升至+5V，引脚状态呈高电平，复位有效，单片机执行复位。
电路如图3-2所示。
图3-2复位电路
3.2驱动模块的设计
采用LED照明，首先需要考虑的是其亮度、成本以及寿命。
由于影响LED寿命的主要原因是其频繁启动瞬间的电流冲击，外界的各种浪涌脉冲，以及正常工作时的电流限制等，综合了这些因素，从电路设计上尽量避免大电流对LED照明灯具的冲击，并将其工作电流稳定在某一范围内，解决目前LED照明灯具的亮度衰减问题，从而能有效地延长其使用寿命。
3.2.1驱动的选择
LED均采用直流驱动，因此在市电与LED之间需要加一个电源适配器即LED驱动电源。
它的功能是把交流市电转换成适合LED的直流电。
LED的发光原理是在它两端加上正向电压，使半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出过剩能量，从而引起光子的发射。
LED驱动电路的主要功能是将交流电压转换为恒流电源，同时按照LED器件的要求完成与LED的电压和电流的匹配。
LED驱动电路除了要满足安全要求外，另外的基本功能应有两个方面：
一是尽可能保持恒流特性，尤其在电源电压发生±15%的变动时，仍应能保持输出电流在±10%的范围内变动。
用LED作为显示器或其他照明设备或背光源时，需要对其进行恒流驱动，主要原因是：
1）避免驱动电流超出最大额定值，影响其可靠性。
2）获得预期的亮度要求，并保证各个LED亮度、色度的一致性。
二是驱动电路应保持较低的自身功耗，这样才能使LED的系统效率保持在较高水准。
PWM（脉宽调制）技术是一种传统的调光方式，它利用简单的数位脉冲，反覆开关LED驱动器，系统只需要提供宽、窄不同的数位式脉冲，即可简单地实现改变输出电流，从而调节LED的亮度。
该技术的优点在于能够提供高品质的白光，以及应用简单，效率高，但一个致命的缺点是容易产生电磁干扰，有时甚至会产生人耳能听见的杂讯。
本设计中选择PT4115对LED实现驱动调光。
升压是LED驱动电路的重要任务，而电感升压和电荷泵升压是两种不同的拓扑模式。
“由于LED是由电流驱动的，而电感在进行电流转换时效率最高，因此电感升压方式最大的优点就是效率高，如果设计得当可以超过90%；不过它的缺点也同样明显，就是电磁干扰很强，对手机等通信产品的系统要求就非常高。
随着电荷泵的出现，目前大多数手机都不再采用电感升压方式。
当然，采用电荷泵的升压方式其效率将低于电感升压。
3.2.2PT4115介绍
PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，用于驱动一颗或多颗串联LED。
PT4115输入电压范围从6伏到30伏，输出电流可调，最大可达1.2安培。
根据不同的输入电压和外部器件，PT4115可以驱动高达数十瓦的LED。
PT4115内置功率开关，采用高端电流采样设置LED平均电流，并通过DIM引脚可以接受模拟调光和很宽范围的PWM调光。
当DIM的电压低于0.3伏时，功率开关关断，PT4115进入极低工作电流的待机状态。
1）特点
●极少的外部元器件
●很宽的输入电压范围：
从6V到30V
●最大输出1.2A的电流
●复用DIM引脚进行LED开关、模拟调光和PWM调光
●5%的输出电流精度
●LED开路自然保护
●高达97%的效率
●输出可调的恒流控制方法
●增强散热能力的ESOP8封装可用于大功率驱动
2）应用
●低压LED射灯代替卤素灯
●车载LED灯
●LED备用灯
●LED信号灯
3）管脚介绍及封装形式
图3-3两种封装形式
管脚号
管脚名称
描述
1
SW
功率开关的漏端
2
GND
信号和功率地
3
DIM
开关使能、模拟和PWM调光端
4
CSN
电流采样端，采样电阻接在CSN和VIN端之间
5
VIN
电源输入端，必须就近接旁路
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