帶電感的PWM調光方法

　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[1]。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[2]。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。

　通過(guò)模擬可初步選擇40 mH的電感作為驅動(dòng)電路所用，圖3是用示波器采到的電壓波形圖，此電壓是電路中串聯(lián)了一個(gè)20 Ω的電阻上的電壓，穩定后電壓為340 mV，即電路中電流為17 mA。因為實(shí)際電路中電流有損耗，所以實(shí)際電流值比模擬電流值偏小，但整個(gè)電流的變化趨勢與模擬基本一致。

　圖5是電感電流隨PWM占空比變化的實(shí)驗結果曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)是在電感值為40 mH時(shí)，電路中串聯(lián)了一個(gè)22 Ω電阻的情況下測得的。分析理論公式和實(shí)驗結果，可發(fā)現在PWM占空比為36%~86%區間，電感上電流值隨PWM波占空比線(xiàn)性變化，變化趨勢與理論推導一致。對于高占空比的區間段，由于充電曲線(xiàn)斜率已經(jīng)趨近不變，此時(shí)電流值也趨于最大值，而在低區間段，由于充電時(shí)間較短，電路中損耗較大，電感上電流值也趨近于零。

2.3 PWM占空比調節方式

　采用電腦通過(guò)RS-485在線(xiàn)控制PWM占空比的變化，根據需要在256個(gè)檔位中進(jìn)行選擇，每次用電腦向RS-485發(fā)送兩個(gè)字節的十六進(jìn)制命令，從而改變C8051產(chǎn)生的占空比，達到改變LED亮度的目的。

RS-485接口電路的主要功能是：將來(lái)自微處理器的發(fā)送信號TX通過(guò)“發(fā)送器”轉換成通信網(wǎng)絡(luò )中的差分信號，也可以將通信網(wǎng)絡(luò )中的差分信號通過(guò)“接收器”轉換成被微處理器接收的RX信號。任一時(shí)刻，RS-485收發(fā)器只能工作在“接收”或“發(fā)送”兩種模式之一。因此，采用了圖6所示電路，由微處理器輸出的R/D信號直接控制SN75LBC184芯片的發(fā)送器/接收器使能：R/D信號為“1”，則SN75LBC184芯片的發(fā)送器有效，接收器禁止，此時(shí)微處理器可以向SN75LBC184總線(xiàn)發(fā)送數據字節；R/D信號為“0”則SN75LBC184芯片的發(fā)送器禁止，接收器有效，此時(shí)微處理器可以處理來(lái)自RS-485總線(xiàn)的數據字節。此電路中，任意時(shí)刻SN75LBC184芯片中的“接收器”和“發(fā)送器”只能夠有一個(gè)處于工作狀態(tài)。

　不論從模擬還是實(shí)驗角度來(lái)看，在PWM調光驅動(dòng)電路中加入電感，可成功將電路中大范圍變化的電流“平均”，使其穩定在一個(gè)可通過(guò)理論計算得出的值附近。本文綜合了模擬調光和數字調光的共同優(yōu)點(diǎn)，且可以利用RS-485，通過(guò)PWM波與驅動(dòng)電路中LED上電流的函數關(guān)系，改變PWM波的占空比，即可讓LED有著(zhù)理想的電流值，并用計算機實(shí)時(shí)、細致地改變LED的亮度。

參考文獻
[1] 程安林，王晉，尚相榮.白光LED的PWM驅動(dòng)方式分析[J].電子設計工程，2010，18(2)：109-111.
[2] 段哲民，陳志寅，任艷單.單端初級電感變換器拓撲的LED的電源設計[J].電源設計電力電子技術(shù)，2010，44(8)：95-96.