PWM調(diào)節(jié)電路介紹及白光LED模組的驅(qū)動控制電路設(shè)計(jì)

0 引言
    由于當(dāng)前溫室效應(yīng)和能源危機(jī)的影響，使得人們對節(jié)能技術(shù)越來越關(guān)注。LED照明具有節(jié)能、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，LED照明技術(shù)作為新型綠色照明技術(shù)，目前的應(yīng)用日趨廣泛。LED的白光照明通常是使用藍(lán)、綠、紅三原色多芯片LED模組構(gòu)成，由于這種LED模組中每種LED芯片的老化特性不同，因此色溫會隨著時(shí)間和溫度而發(fā)生變化，這就給白光LED的使用帶來了限制。本文中分析了對白光LED模組的驅(qū)動模式，提出了一種新型白光LED模組驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)方案。

1 白光LED模組的驅(qū)動
    對于傳統(tǒng)光源的驅(qū)動方式而言，大都是以恒定電壓的形式存在，這就使得傳統(tǒng)光源的驅(qū)動十分簡單。在線性范圍內(nèi)，LED的發(fā)光強(qiáng)度與其驅(qū)動電流及正向壓降成正比，并隨著溫度而變化，這就需要恒定的電流來驅(qū)動LED。除此之外，白光LED模塊有一個(gè)重要的指標(biāo)，就是色溫。色溫以絕對溫度K來表示，某光源與黑體的顏色相同時(shí)，就把黑體當(dāng)時(shí)的絕對溫度稱為該光源的色溫。白光LED色溫取決于所發(fā)出的白光中3種色彩成分的構(gòu)成比例。
    為了調(diào)節(jié)白光LED模組光源的色溫，就需要對白光LED模組里中的藍(lán)、綠、紅3個(gè)LED芯片的驅(qū)動電流進(jìn)行單獨(dú)控制，就需要3個(gè)獨(dú)立的恒流驅(qū)動電路。目前，恒流驅(qū)動電路一般都采用開關(guān)模式的PWM控制器來實(shí)現(xiàn)，其驅(qū)動電流的調(diào)節(jié)主要分為模擬調(diào)節(jié)方式和PWM調(diào)節(jié)方式。
    模擬調(diào)節(jié)方式是利用PWM控制器來對驅(qū)動電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，以穩(wěn)定LED的驅(qū)動電流，得到穩(wěn)定的輸出光強(qiáng)。由于通常PWM控制器的反饋控制信號是一個(gè)電壓值，所以模擬調(diào)節(jié)是利用一個(gè)測量電阻對輸出驅(qū)動電流進(jìn)行采樣，并將其轉(zhuǎn)換為反饋電壓信號，通過PWM控制器對反饋電壓的穩(wěn)定，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出驅(qū)動電流的目的，電路原理圖如圖1所示。

    使用模擬方式調(diào)節(jié)輸出電流來調(diào)節(jié)LED輸出光強(qiáng)的方法存在一個(gè)很大的問題：由于LED的輸出波長會隨著LED的驅(qū)動電流改變而發(fā)生變化，這樣在不同的輸出光強(qiáng)下，白光LED模組的色溫就會發(fā)生變化。為了克服上述的缺點(diǎn)，人們又開發(fā)了對LED驅(qū)動電流的PWM調(diào)節(jié)方式。

2 LED驅(qū)動電流的PWM調(diào)節(jié)方式
    PWM調(diào)節(jié)方式是指在1個(gè)周期內(nèi)使用特定占空比的脈沖驅(qū)動波形來驅(qū)動LED的方式。LED的平均驅(qū)動電流取決于脈沖波形的占空比和LED額定驅(qū)動電流，在固定LED額定驅(qū)動電流的情況下，通過改變占空比，就可以改變LED的平均驅(qū)動電流，從而改變LED的輸出光強(qiáng)度。為了避免閃爍效果，通常脈沖波形的頻率要大于200 Hz。凌力爾特公司的LED驅(qū)動芯片LT3474是一種額定輸出電流可調(diào)的LED恒流驅(qū)動控制芯片，最大驅(qū)動電流可以達(dá)到1 A。它提供了2種驅(qū)動方式：模擬調(diào)節(jié)方式和PWM調(diào)節(jié)方式。在PWM調(diào)節(jié)方式下，利用改變外加的PWM信號的占空比，可以實(shí)現(xiàn)400：1的調(diào)光比。其PWM調(diào)節(jié)方式的典型應(yīng)用電路如圖2所示，其中外加PWM控制信號由PWM管腳施加。

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    圖3所示為在PWM調(diào)節(jié)方式下，外加PWM脈沖驅(qū)動信號和輸出驅(qū)動電流的測量結(jié)果。從圖3中可以清楚地觀察到LED驅(qū)動電流是受外加PWM信號的控制。其中REF管腳的輸出參考電壓為1．25 V，如果將VADJ與REF管腳短接，則輸出的額定LED驅(qū)動電流為最大輸出電流(1 A)。對LED的額定驅(qū)動電流ILED的調(diào)節(jié)是通過改變VADJ管腳的電壓而實(shí)現(xiàn)，可以通過將REF所輸出的1．25 V參考電壓分壓而完成。輸出LED的額定電流由下式得到：
   
    而LED的平均電流則由下式得到：
   
式中：DDIM為外加PWM信號的占空比。

3 色溫可調(diào)的白光驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
    為了穩(wěn)定LED輸出光的光強(qiáng)、色溫，并實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)、色溫的調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)了一種白光LED模組驅(qū)動電路，其框圖如圖4所示，其中使用了分別帶有藍(lán)、綠、紅濾光片的光強(qiáng)探測器對構(gòu)成白光LED模組的3種LED光強(qiáng)進(jìn)行監(jiān)控，并通過AVR單片機(jī)的控制，改變相應(yīng)的PWM控制信號的占空比，穩(wěn)定藍(lán)、綠、紅3個(gè)LED的光強(qiáng)，就穩(wěn)定了白光LED模組的光強(qiáng)和色溫，其中每路LED的驅(qū)動電路中都使用了LT3474作為驅(qū)動控制芯片。

    對輸出白光的調(diào)節(jié)，可以分為光強(qiáng)和色溫調(diào)節(jié)。如果只是改變光強(qiáng)，則等比例地改變3個(gè)LED驅(qū)動電路中PWM信號的占空比；如果需要改變色溫，則通過對藍(lán)、綠、紅LED使用不同占空比進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)白光中3種色彩成分比例的調(diào)節(jié)而調(diào)節(jié)色溫。當(dāng)然，也可以同時(shí)對輸出光強(qiáng)和色溫進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過該電路，就真正實(shí)現(xiàn)了對白光LED模組的光強(qiáng)和色溫的實(shí)時(shí)控制，而且由于使用了光強(qiáng)探測器的反饋控制，克服由于LED老化而引起的光強(qiáng)、色溫變化，并可以根據(jù)個(gè)人喜好調(diào)節(jié)LED燈具的光強(qiáng)和色溫，達(dá)到了良好的照明效果。

4 結(jié)語
    本文討論了LED驅(qū)動的2種調(diào)節(jié)方式，介紹了PWM調(diào)節(jié)的電路，并提出了一種白光LED模組的驅(qū)動控制電路，通過利用三色光強(qiáng)探測器，實(shí)現(xiàn)了對光強(qiáng)和色溫的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制。該電路可以克服由于LED老化而引起的光強(qiáng)、色溫變化，并可以根據(jù)個(gè)人喜好調(diào)節(jié)LED燈具的光強(qiáng)和色溫，達(dá)到了良好的照明效果。