工程師推薦PWM調光之如何優(yōu)化LED色彩穩定度

本文探討提供發(fā)光二極體(LED)調光的方法，分析LED調光對其長(cháng)期性能及所發(fā)射出光的色彩穩定性之影響，并特別探討如何結合使用線(xiàn)性恒流穩流器(CCR)及數位電晶體來(lái)提供脈沖寬度調變(PWM)調光。

PWM為改變LED光輸出首要方法

光要多少才足夠？要求的發(fā)光量通常由所處環(huán)境與用途決定。就會(huì )議室而言，一般圓桌會(huì )議時(shí)的照明可能非常亮；但若使用投影系統來(lái)觀(guān)看會(huì )議材料，會(huì )議室的光就可能會(huì )調暗很多；起居室的照明通常會(huì )被調節從而營(yíng)造恰當的氛圍；而汽車(chē)儀表板的背光則通常根據日間或夜間駕駛來(lái)自動(dòng)調節。

光源已從非常易于調節的白熾燈轉向要求以特殊電路提供不同光等級的螢光燈。LED是業(yè)界出現的最新一代光源，要求采用新的電子電路來(lái)改變光等級。改變LED光輸出的方法有兩種，第一種是減小流經(jīng)LED的電流，而LED發(fā)射的光量與流經(jīng)LED的電流成正比；第二種方法是為L(cháng)ED提供脈波電流，LED發(fā)射出的光與工作周期(Duty Cycle)成正比。

使用減小電流的方法進(jìn)行LED調光類(lèi)似于大多數白熾燈泡使用的調光方法。這種減小電流的方法在為數不多的應用中可以接受，但隨著(zhù)光等級降低，LED發(fā)出的光色彩也根據電流而變化。電流較小時(shí)，色度(Chromaticity)朝向黃色變化。圖1顯示不同電流時(shí)的典型色度變化。

白熾燈泡的亮度能夠藉減小電流的方法來(lái)調光至低于完整亮度的1%，因為白熾燈是藉由電流流過(guò)燈絲，使燈絲發(fā)熱進(jìn)而發(fā)光。但使用減小電流的方法，極難將 LED亮度調至低于完整亮度的5%，因為所需的電壓勢會(huì )導致矽結點(diǎn)破裂并開(kāi)始導電。LED是二極體，隨著(zhù)結點(diǎn)破裂，它就像是電子雪崩，電阻急速下降。要提供足夠電壓，使LED以極低電流導電非常困難。圖2顯示LED在不同正向電壓(V)條件下的典型正向電流的曲線(xiàn)。

為L(cháng)ED提供脈波電流的方法也稱(chēng)作PWM，這種方法已經(jīng)成為改變光等級的首選方法。LED本身是矽元件，對應流經(jīng)它們的電流導通及關(guān)閉而快速地導通和關(guān)閉。開(kāi)關(guān)時(shí)間在100奈秒(ns)等級，相當于最大頻率10MHz。應用通常以100Hz～100kHz的頻率工作。頻率低于100Hz時(shí)，人眼會(huì )觀(guān)察到 LED光閃爍。頻率在500Hz～20kHz之間時(shí)，電路可能產(chǎn)生能聽(tīng)到的雜訊。調光是通過(guò)在單個(gè)開(kāi)關(guān)周期的某部分時(shí)間內將LED導通;而在此開(kāi)關(guān)周期的其余部分時(shí)間內，將LED關(guān)閉來(lái)實(shí)現。這種導通關(guān)閉周期稱(chēng)作工作周期(D)，其表達方式為L(cháng)ED導通時(shí)間(TON)除以整個(gè)開(kāi)關(guān)/導通周期時(shí)間(TS) (圖3)。

LED導通時(shí)間與光輸出息息相關(guān)

在LED導通期間，流經(jīng)LED的電流保持恒定，使LED發(fā)射的光恒定，且無(wú)色度(色彩)變化。亮度與LED導通時(shí)間所占的百分比成正比。

可以在LED的串列使用安森美半導體(On Semiconductor)的雙端CCR(如NSI45020AZT1G)及雙極結晶體管(BJT)(如MMBT3904LT1G)來(lái)配置圖4所示的簡(jiǎn)單電路，用于汽車(chē)儀表板背光。由兩顆4.7kΩ電阻(R1，R2)構成的簡(jiǎn)單偏置電路置于雙極結晶體管的基極。電阻值10Ω、精度1%的電阻(R3)置于雙極結晶體管的射極腳，用來(lái)感測電流。測量電阻R3兩端的電壓即可簡(jiǎn)單地得出對應的電流(200毫伏特=20毫安培)，R3僅用于測量電路電流，設計完成后即不需要它。電路的供電電壓范圍為直流5～20伏特。由微控制器(MCU)提供的5伏特控制電壓，通過(guò)電阻R1施加在雙極結晶體管的基極，并將雙極結晶體管導通。CCR會(huì )自動(dòng)地將流經(jīng)LED的電流維持在20毫安培。

可以恰當選擇R1和R2的電阻值，使其匹配驅動(dòng)電路。雙極結晶體管通常在0.5伏特電壓時(shí)開(kāi)始導通。若R1=R2(圖4中均為4.7kΩ)，那么這分壓電路就要求大于1伏特的電壓來(lái)將雙極結晶體管導通。若R1=10kΩ且R2=47kΩ，這電路就只需要大于0.6伏特的電壓來(lái)導通。

控制訊號的工作頻率為300Hz，脈波寬度為30微秒(μs)。隨著(zhù)脈波寬度增加，LED導通的總時(shí)間也會(huì )延長(cháng)，并提升光輸出。在脈波接近零電平時(shí)，光輸出也將接近零。圖5顯示不同工作周期條件下的流明輸出曲線(xiàn)。

任何電路開(kāi)關(guān)電流可能都存在電磁干擾(EMI)問(wèn)題。由于LED和CCR的開(kāi)關(guān)速度極快，不到100奈秒，為消除EMI弊病，可在電路中增加一顆電容。在上述圖4所示的基本電路中，雙極結晶體管的基極與射極之間增加一顆100nF電容，使流經(jīng)電路的電流上升沿(Rising Edge)及下降沿(Falling Edge)的斜坡延長(cháng)1.5微秒(圖6)。CCR導通關(guān)閉電流的斜坡可以由電阻R1和電容C1的值來(lái)控制。

所選定的延遲/斜坡將影響所選的調光電路工作頻率，延遲越長(cháng)，頻率就會(huì )越低。延遲時(shí)間與最小導通時(shí)間比應當不低于10：1，頻率也受精度及所要求的調光步驟影響。上升沿及下降沿延遲1.5微秒時(shí)，最小導通時(shí)間應為30微秒。若設計需要高精度及一百個(gè)調光步驟，那么就要求3毫秒(ms)的總開(kāi)關(guān)TS或 333Hz的頻率。

調節電流/LED導通時(shí)間實(shí)現調光

LED調光既可通過(guò)減小電流，亦可通過(guò)縮短LED導通時(shí)間來(lái)進(jìn)行。減小電流的方法會(huì )導致LED光輸出的色彩變化，首選的方法是通過(guò)使用PWM訊號來(lái)縮短LED導通的時(shí)間。

采用簡(jiǎn)單的CCR及雙極結晶體管和PWM訊號控制的LED能夠輕易地調光至汽車(chē)及建筑物照明應用要求的精度。使用雙極結晶體管使LED能夠以恒定電流驅動(dòng)，從而不會(huì )有色度變化；光的色彩仍然保持一致，僅是LED發(fā)射的光量減小。