PWM調光方法在LED亮度調節中的應用

　LED 是一種固態(tài)電光源， 是一種半導體照明器件，其電學(xué)特性具有很強的離散性。它具有體積小、機械強度大、功耗低、壽命長(cháng)， 便于調節控制及無(wú)污染等特征，有極大發(fā)展前景的新型光源產(chǎn)品。LED 調光方法的實(shí)現分為兩種： 模擬調光和數字調光， 其中模擬調光是通過(guò)改變LED 回路中電流大小達到調光； 數字調光又稱(chēng)PWM 調光， 通過(guò)PWM 波開(kāi)啟和關(guān)閉LED 來(lái)改變正向電流的導通時(shí)間以達到亮度調節的效果。模擬調光通過(guò)改變LED 回路中的電流來(lái)調節LED 的亮度， 缺點(diǎn)是在可調節的電流范圍內， 可調檔位受到限制；PWM 波調光可通過(guò)改變高低電平的占空比來(lái)任意改變LED 的開(kāi)啟時(shí)間， 從而使亮度調節的檔位增多。本文擬用兩種方法共同作用， 以達到調節LED 亮度的效果。

　　1 LED 調光方法

　　模擬調光是通過(guò)改變LED 回路中電流大小達到調光， 電源電壓不變， 通過(guò)改變R 的電阻值來(lái)改變回路中的電流， 從而達到改變LED 亮度的效果。很多其他模擬調光都是采用這種方法的延伸， 其優(yōu)點(diǎn)是電流可連續， 但可調節電流的范圍往往受到硬件的限制， 調節檔位不多， 對于要求亮度感應敏感的高精度采光設備， 這種方法不理想。

　　數字調光又稱(chēng)PWM 調光， 通過(guò)PWM 波開(kāi)啟和關(guān)閉LED 來(lái)改變正向電流的導通時(shí)間， 以達到亮度調節的效果。該方法基于人眼對亮度閃爍不夠敏感的特性，使負載LED 時(shí)亮時(shí)暗。如果亮暗的頻率超過(guò)100 Hz ， 人眼看到的就是平均亮度， 而不是LED 在閃爍。PWM 通過(guò)調節亮和暗的時(shí)間比例實(shí)現調節亮度， 在一個(gè)PWM 周期內， 因為人眼對大于100 Hz 內的光閃爍， 感知的亮度是一個(gè)累積過(guò)程， 即亮的時(shí)間在整個(gè)周期中所占得比例越大， 人眼感覺(jué)越亮。但是對于一些高頻采樣的設備， 如高頻采樣攝像頭， 采樣時(shí)有可能恰好采到LED 暗時(shí)的圖像。因此本文將模擬和數字相結合， 設計了LED 的驅動(dòng)電路。

　　2 采用電感的PWM 調節方法

　　2.1 驅動(dòng)電路

　　電路中， 當電感上通有電流時(shí)， 電感會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)， 即部分電流轉換成磁能的方式“ 存儲” 在電感中； 當不再向電感上通電流時(shí)， 電感會(huì )將磁能通過(guò)電流的方式在回路中釋放出來(lái)。這也是電感上電流不能突變的原因， 基于電感的這種“ 充放電” 原理， 可以將它用來(lái)平均PWM 波調光中產(chǎn)生的不連續電流。式（1） 、式（2） 分別是LR 電路的充電和放電過(guò)程及電流與時(shí)間的關(guān)系。

　　其中，If是最終穩定電流，I0是放電初始電流，τ （τ=L/R，L 是電感值，R 是回路電阻） 是LR 電路的時(shí)間常數。

　　圖1 所示為驅動(dòng)電路， 電感值的選擇以及PWM 波的頻率選擇在此驅動(dòng)電路中相當重要。選擇C8051330 芯片作為PWM 波的輸出， 采用定時(shí)器翻轉控制高低電平的時(shí)間，從而控制PWM 波的占空比。

　　圖1 驅動(dòng)電路

　　要保證PWM 周期小于電感的τ 時(shí)間， 因為若PWM 的周期大于τ， 則極有可能出現在PWM 的占空比變化的情況下， 電路中電流都能達到電感的飽和直流電流， 影響了對LED 電流調節。當C8051330 的時(shí)鐘頻率是25 MHz ，PWM 的周期的選擇對電流改變檔位的影響很大。若周期越大， 則PWM 占空比的檔位越多， 反之越少。擬用256 個(gè)檔位的占空比， 因此PWM 波的頻率應選擇在100kHz 以下，即周期在10 μs 以上，直流電感為10Ω， 此時(shí)電感值應選擇大于0.1 mH.圖2 分別是PWM 頻率為100kHz ， 占空比為90%， 電感為0.1 mH、1 mH 和40 mH 時(shí)電路電流值的模擬結果。

　?。╝）電感值為0.1mH 時(shí)電流隨時(shí)間關(guān)系

　?。╞）電感值為1mH 時(shí)電流隨時(shí)間關(guān)系

　?。╟）電感值為40mH 時(shí)電流隨時(shí)間關(guān)系

　?。╠）圖c 曲線(xiàn)局部放大圖

　　圖2 不同電感值下電流隨時(shí)間的變化。