PWM調(diào)光方法在LED亮度調(diào)節(jié)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， 便于調(diào)節(jié)控制及無污染等特征，有極大發(fā)展前景的新型光源產(chǎn)品。LED 調(diào)光方法的實現(xiàn)分為兩種： 模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光， 其中模擬調(diào)光是通過改變LED 回路中電流大小達到調(diào)光； 數(shù)字調(diào)光又稱PWM 調(diào)光， 通過PWM 波開啟和關閉LED 來改變正向電流的導通時間以達到亮度調(diào)節(jié)的效果。模擬調(diào)光通過改變LED 回路中的電流來調(diào)節(jié)LED 的亮度， 缺點是在可調(diào)節(jié)的電流范圍內(nèi)， 可調(diào)檔位受到限制；PWM 波調(diào)光可通過改變高低電平的占空比來任意改變LED 的開啟時間， 從而使亮度調(diào)節(jié)的檔位增多。本文擬用兩種方法共同作用， 以達到調(diào)節(jié)LED 亮度的效果。

　　1 LED 調(diào)光方法

　　模擬調(diào)光是通過改變LED 回路中電流大小達到調(diào)光， 電源電壓不變， 通過改變R 的電阻值來改變回路中的電流， 從而達到改變LED 亮度的效果。很多其他模擬調(diào)光都是采用這種方法的延伸， 其優(yōu)點是電流可連續(xù)， 但可調(diào)節(jié)電流的范圍往往受到硬件的限制， 調(diào)節(jié)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(shù)字調(diào)光又稱PWM 調(diào)光， 通過PWM 波開啟和關閉LED 來改變正向電流的導通時間， 以達到亮度調(diào)節(jié)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 時亮時暗。如果亮暗的頻率超過100 Hz ， 人眼看到的就是平均亮度， 而不是LED 在閃爍。PWM 通過調(diào)節(jié)亮和暗的時間比例實現(xiàn)調(diào)節(jié)亮度， 在一個PWM 周期內(nèi)， 因為人眼對大于100 Hz 內(nèi)的光閃爍， 感知的亮度是一個累積過程， 即亮的時間在整個周期中所占得比例越大， 人眼感覺越亮。但是對于一些高頻采樣的設備， 如高頻采樣攝像頭， 采樣時有可能恰好采到LED 暗時的圖像。因此本文將模擬和數(shù)字相結(jié)合， 設計了LED 的驅(qū)動電路。

　　2 采用電感的PWM 調(diào)節(jié)方法

　　2.1 驅(qū)動電路

　　電路中， 當電感上通有電流時， 電感會產(chǎn)生磁場， 即部分電流轉(zhuǎn)換成磁能的方式“ 存儲” 在電感中； 當不再向電感上通電流時， 電感會將磁能通過電流的方式在回路中釋放出來。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， 可以將它用來平均PWM 波調(diào)光中產(chǎn)生的不連續(xù)電流。式（1） 、式（2） 分別是LR 電路的充電和放電過程及電流與時間的關系。

　　其中，If是最終穩(wěn)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 電路的時間常數(shù)。

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

　　圖1 驅(qū)動電路

　　要保證PWM 周期小于電感的τ 時間， 因為若PWM 的周期大于τ， 則極有可能出現(xiàn)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(diào)節(jié)。當C8051330 的時鐘頻率是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 時電路電流值的模擬結(jié)果。

　　（a）電感值為0.1mH 時電流隨時間關系

　?。╞）電感值為1mH 時電流隨時間關系

　　（c）電感值為40mH 時電流隨時間關系

　?。╠）圖c 曲線局部放大圖

　　圖2 不同電感值下電流隨時間的變化。