白光LED的PWM驅(qū)動方式分析

摘要：白光由于所具有的低成本、長壽命和小體積的特性，正在迅速成為照明和背光源的選擇，其驅(qū)動電路的研究受到廣泛關(guān)注。LED實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能的方法可分為2種：模擬調(diào)光和PWM調(diào)光。采用模擬調(diào)光技術(shù)的缺點(diǎn)是：隨著正向電流改變會產(chǎn)生色偏現(xiàn)象，而PWM調(diào)光通過開啟和關(guān)閉LED來改變正向電流導(dǎo)通時間以達(dá)到亮度調(diào)整的效果。本文將說明如何利用PWM來調(diào)整亮度，設(shè)計(jì)了適合照明應(yīng)用的LED驅(qū)動電路，經(jīng)使用取得了良好的照明效果。
關(guān)鍵詞：LED；驅(qū)動；PWM；照明

    白光LED的電學(xué)特性具有很強(qiáng)的離散性，而且白光LED是一種同態(tài)電光源，是一種半導(dǎo)體照明器件。它具有體積小、機(jī)械強(qiáng)度大、功耗低、壽命長，便于調(diào)節(jié)和控制以及無污染等特征，是一種有極大發(fā)展前景的新型光源產(chǎn)品。但由于白光LED正向伏安特性非常陡，為其供電比較困難，白色LED工作電壓的較小波動就會導(dǎo)致工作電流的急劇變化，甚至可能燒壞LED。為了保持LED工作電流穩(wěn)定，保證LED能正?？煽康墓ぷ?，驅(qū)動電路設(shè)計(jì)至關(guān)重要。這里設(shè)計(jì)一種基于PWM的可調(diào)光LED驅(qū)動電路，可提供LED所需的電壓和電流，且具有色溫高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、壽命長的特點(diǎn)。

1 白光LED的電特性
1．1 LED發(fā)光強(qiáng)度與電流的關(guān)系
    LED器件在極限工作電流范圍內(nèi)發(fā)光強(qiáng)度隨正向電流的增加而增加，但不同半導(dǎo)體材料制成的LED器件，其發(fā)光強(qiáng)度與正向電流的變化關(guān)系有所不同。從總體上看，發(fā)光強(qiáng)度Ir都是隨著正向電流If的增加而增加的。
    Ir與If的關(guān)系曲線描述為達(dá)到所需的發(fā)光強(qiáng)度，LED應(yīng)該用多大的電流來驅(qū)動。LED發(fā)光強(qiáng)度與正向電流的關(guān)系如圖l所示。圖l中的曲線以紅色發(fā)光LED為例，當(dāng)正向電流約40 mA時，紅色LED的發(fā)光強(qiáng)度幾乎不再發(fā)生變化。也就是說，只要控制紅色LED陣列的正向電流達(dá)到一定值，其發(fā)光強(qiáng)度也就趨向飽和。

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1．2 溫度對白光LED正向電流的影響
    白光LED的正向電流的大小也隨溫度的變化而變化的，圖2是常用白光LED的允許正向電流隨溫度的變化曲線。

2 LED的PWM驅(qū)動方式
2．1 PWM信號的原理和形成
    PWM調(diào)光基于人眼對亮度閃爍不夠敏感的特性，使負(fù)載LED時亮?xí)r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的閃爍。PWM調(diào)光通過調(diào)整亮和暗的時間比例實(shí)現(xiàn)調(diào)整亮度。這種方法通過把可調(diào)占空比和固定頻率的數(shù)字信號加到調(diào)整亮和暗時間比例的引腳即可實(shí)現(xiàn)調(diào)光，但調(diào)光的范圍取決于器件內(nèi)部電路軟啟動或恢復(fù)正常工作的速度，因而范圍不是很寬。
    PWM原理是以一固定直流電壓經(jīng)過以一定頻率打開與閉合的開關(guān)K，從而控制改變LED上的電壓。設(shè)當(dāng)LED接通時的最大電流為Imax。開關(guān)開閉周期為T，每次閉合時間為t，則當(dāng)占空比為D=t／T時，LED的平均電流為：
   
    由(1)式可知，當(dāng)T不變(即開關(guān)的開關(guān)頻率同定)時，只要改變導(dǎo)通時間t，就可以改變LED兩端的平均電流。從而改變LED的亮度。
    脈沖調(diào)寬信號的形成電路有3種：1)可用電壓-脈寬變換器產(chǎn)生，即硬件產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號；2)由軟件定時產(chǎn)生，由定時器定時，定時時間受軟件控制，并從脈寬信號的輸出口P1．0或其他口輸出脈寬可調(diào)信號；3)由單片機(jī)控制外接定時／計(jì)數(shù)器(如8253)硬件電路產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，只需用兩個計(jì)數(shù)器分別工作于方式l和方式2，通過硬件連接便可以產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號。其中，第1種是硬件電路實(shí)現(xiàn)，電路復(fù)雜。第2種使用定時器TO，但由于系統(tǒng)計(jì)數(shù)器不足，必須擴(kuò)展。第3種是利用8253，非常方便，而且占用的軟件時間少。
    Atmega 16單片機(jī)帶有4通道PWM，而且有快速PWM模式、相位修正PWM模式等多種工作模式?？紤]到成本及整個系統(tǒng)的簡化，本設(shè)計(jì)直接利用Atmega 16單片機(jī)產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號。
2．2 PWM驅(qū)動白光LED
    LED的發(fā)光強(qiáng)度基本上正比于通過LED器件的電流，這說明脈沖電流的平均電流與直流電流相同的條件下，LED的發(fā)光亮度一樣。另外，用高幅值的脈沖電流驅(qū)動LED，然后通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比獲得較合適的平均電流，這樣可以降低功耗。因?yàn)楫?dāng)LED工作在脈沖狀態(tài)時，人眼覺察到的LED亮度值是介于峰值亮度與平均亮度值之間的。因此，脈沖電流驅(qū)動LED可比直接恒流驅(qū)動的LED更亮，即獲得同樣的發(fā)光亮度，脈沖電流驅(qū)動方式比直流電流驅(qū)動方式所需要的平均電流值更小。
    其次，對于LED，如果采用脈沖電路驅(qū)動，其控制部分采用脈寬調(diào)制方式，與恒流控制方式相比，控制部分的控制效率會有比較大的提升，另外還可去掉限流電阻或減小其值。因此，從節(jié)能的角度出發(fā)，采用脈沖電源驅(qū)動方式更好。[!--empirenews.page--]
    脈沖驅(qū)動方式是利用人眼的視覺惰性，采用重復(fù)向LED器件通斷供電的方式使之點(diǎn)亮的。但采用這種驅(qū)動方式通常需考慮脈沖電流幅值的確定和重復(fù)頻率的選擇。要獲得與直流驅(qū)動方式相當(dāng)?shù)陌l(fā)光強(qiáng)度，脈沖驅(qū)動電流的平均值Ia應(yīng)與直流驅(qū)動的電流值相同。如圖3所示，平均電流是瞬間電流i的時間積分。

    對于矩形波，有
   
式中，Ic為直流驅(qū)動電流值，Ia為脈沖驅(qū)動電流平均值，IF為脈沖電流幅值，ton／T是占空比。
    為了使脈沖驅(qū)動方式下的平均電流Ia與直流驅(qū)動電流Ic相同，則需使其脈沖電流幅值IF滿足：
   
    可見脈沖驅(qū)動時，脈沖電流的幅值是直流驅(qū)動電路的電流幅值的T／ton倍。需注意驅(qū)動器件的工作頻率，當(dāng)頻率超過一定范同，器件將無法正常工作，因?yàn)槠骷o法正常導(dǎo)通和關(guān)斷。LED的工作頻率是10 MHz到幾百M(fèi)Hz范圍內(nèi)。

3 LED照明電路設(shè)計(jì)
3．1 白光LED供電電源
    LM317是可調(diào)三端正電壓穩(wěn)壓器，輸出電壓范嗣為1．2～37 V時能提供超過1．5 A的電流。此穩(wěn)壓器易于使用，只通過2個外部電阻設(shè)置輸出電壓。工作時，LM317建立并保持輸出與調(diào)節(jié)端之間1．25 V的標(biāo)稱參考電壓(Vref)，該參考電壓由R1轉(zhuǎn)換為編程電流，該電流經(jīng)R2到地，如圖4所示。

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    由穩(wěn)壓輸出電壓公式得到輸出電壓：
   
    因?yàn)榇颂幷{(diào)節(jié)端的電流IADj控制小于100μA，這一誤差可忽略。一個白光LED需要3．3 V直流電壓，本設(shè)計(jì)為3個白光LED串聯(lián)，需LM317輸出9．6 V直流電壓，由于LED與場效應(yīng)管串聯(lián)，故除去場效應(yīng)管的壓降，可得LM317輸出的電壓約10V。先確定R1的電阻為220Ω，得出電位器R2的電阻值為1．4 kΩ。
3．2 白光LED的驅(qū)動電路
    本設(shè)計(jì)是PWM信號經(jīng)過三極管VQ1的基極連接到P溝道功率MOSFET IRF9540的柵極上。P溝道功率MOSFET的柵極驅(qū)動采用簡單的NPN三極管驅(qū)動放大電路，以改善MOSFET的導(dǎo)通過程，減少驅(qū)動電源的功率。當(dāng)驅(qū)動電路直接驅(qū)動功率MOSFET時會引起被驅(qū)動功率MOSFET的快速開通和關(guān)斷，這就可能造成被驅(qū)動功率MOSFET漏源極間電壓的振蕩。一則引起射頻干擾；二則有可能造成功率MOSFET遭受過高的電壓而擊穿損壞。為解決這一問題，需在被驅(qū)動功率MOSFET的柵極與驅(qū)動電路的輸出之間串聯(lián)一只無感電阻R1。當(dāng)PWM波輸出高電平時，三極管VQ1導(dǎo)通，從而使MOSFET的柵極電壓低于源極電壓，MOSFET的源極和漏極導(dǎo)通，LED點(diǎn)亮；當(dāng)PWM波輸出低電平時，VQ1截止，LED熄滅。當(dāng)PWM頻率超過100 Hz時，人眼可視平均LED的導(dǎo)通和截止時間，產(chǎn)生LED亮度變化的感覺，其亮度與LED導(dǎo)通周期成正比，如圖5所示。

4 結(jié)束語
    白色LED具有壽命長、可低壓驅(qū)動、安全穩(wěn)定等優(yōu)良特性，因而成為極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦凸庠?，但LED的半導(dǎo)體特性使其供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較困難。為了獲得較高的發(fā)光效率和調(diào)光效果，設(shè)計(jì)了一個PWM驅(qū)動的LED照明電路。利用所設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動電路不但方便控制LED的亮度，而且與普通的驅(qū)動方式相比，可以極大調(diào)高色溫。