PWM調(diào)光方法在LED亮度調(diào)節(jié)中的應(yīng)用

　LED 是一種固態(tài)電光源， 是一種半導(dǎo)體照明器件，其電學(xué)特性具有很強(qiáng)的離散性。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)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(shí)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(dá)到調(diào)光； 數(shù)字調(diào)光又稱PWM 調(diào)光， 通過PWM 波開啟和關(guān)閉LED 來改變正向電流的導(dǎo)通時(shí)間以達(dá)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(diǎn)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(shí)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(dá)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(dá)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(dá)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(diǎn)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(yīng)敏感的高精度采光設(shè)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(guān)閉LED 來改變正向電流的導(dǎo)通時(shí)間， 以達(dá)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(fù)載LED 時(shí)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 在閃爍。PWM 通過調(diào)節(jié)亮和暗的時(shí)間比例實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)亮度， 在一個(gè)PWM 周期內(nèi)， 因?yàn)槿搜蹖Υ笥?00 Hz 內(nèi)的光閃爍， 感知的亮度是一個(gè)累積過程， 即亮的時(shí)間在整個(gè)周期中所占得比例越大， 人眼感覺越亮。但是對于一些高頻采樣的設(shè)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(shù)字相結(jié)合， 設(shè)計(jì)了LED 的驅(qū)動(dòng)電路。

　　2 采用電感的PWM 調(diào)節(jié)方法

　　2.1 驅(qū)動(dòng)電路

　　電路中， 當(dāng)電感上通有電流時(shí)， 電感會(huì)產(chǎn)生磁場， 即部分電流轉(zhuǎn)換成磁能的方式“ 存儲(chǔ)” 在電感中； 當(dāng)不再向電感上通電流時(shí)， 電感會(huì)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(shí)間的關(guān)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(shí)間常數(shù)。

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

　　圖1 驅(qū)動(dòng)電路

　　要保證PWM 周期小于電感的τ 時(shí)間， 因?yàn)槿鬚WM 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(dá)到電感的飽和直流電流， 影響了對LED 電流調(diào)節(jié)。當(dāng)C8051330 的時(shí)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(gè)檔位的占空比， 因此PWM 波的頻率應(yīng)選擇在100kHz 以下，即周期在10 μs 以上，直流電感為10Ω， 此時(shí)電感值應(yīng)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(shí)電路電流值的模擬結(jié)果。

　?。╝）電感值為0.1mH 時(shí)電流隨時(shí)間關(guān)系

　?。╞）電感值為1mH 時(shí)電流隨時(shí)間關(guān)系

　?。╟）電感值為40mH 時(shí)電流隨時(shí)間關(guān)系

　?。╠）圖c 曲線局部放大圖

　　圖2 不同電感值下電流隨時(shí)間的變化。[!--empirenews.page--]

　　通過模擬可初步選擇40 mH 的電感作為驅(qū)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(wěn)定后電壓為340 mV， 即電路中電流為17 mA.因?yàn)閷?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3 電感值40mH 電路中串聯(lián)電阻的電壓變化

　　2.2 電流與PWM 占空比的關(guān)系

　　圖4 所示為LED 驅(qū)動(dòng)電路充電以及放電曲線圖，Imax是電路在直流情況下的最大電流。設(shè)在PWM 占空比為m 時(shí)電路中的電流值在充電曲線上的t1時(shí)刻的電流值附近波動(dòng)， 此時(shí)應(yīng)該滿足以下條件：t 點(diǎn)的充電曲線斜率為k1，a 點(diǎn)處放電曲線斜率為k2， 應(yīng)有k1mT=|k2 |（1-m）T，驅(qū)動(dòng)電路中的電流因此維持在一個(gè)恒定值附近微小波動(dòng)。

　　圖4 RL 電路充放電曲線示意圖

　　分析可知， 當(dāng)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路后， 經(jīng)過若干個(gè)充放電周期電流達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)定的值， 之后電流在這個(gè)穩(wěn)定值附近波動(dòng)。如圖5 所示， 對每個(gè)周期而言， 充電時(shí)電流曲線的斜率在不斷下降； 放電時(shí)電流曲線的斜率絕對值在不斷增加； 滿足圖4 的條件時(shí)， 電流相對穩(wěn)定。從而得出在LR 電路時(shí)間常數(shù)τ 一定時(shí)， 電感電流隨PWM 占空比的關(guān)系為：

　　其中m 是PWM 占空比。

　　圖5 是電感電流隨PWM 占空比變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線， 該曲線是在電感值為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(yàn)結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)在PWM 占空比為36%~86%區(qū)間， 電感上電流值隨PWM 波占空比線性變化， 變化趨勢與理論推導(dǎo)一致。

　　對于高占空比的區(qū)間段， 由于充電曲線斜率已經(jīng)趨近不變， 此時(shí)電流值也趨于最大值， 而在低區(qū)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。

　　圖5 電感電流隨PWM 占空比變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線

　　2.3 PWM 占空比調(diào)節(jié)方式

　　采用電腦通過RS-485 在線控制PWM 占空比的變化， 根據(jù)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(jié)的十六進(jìn)制命令， 從而改變C8051產(chǎn)生的占空比， 達(dá)到改變LED 亮度的目的。

　　RS-485 接口電路的主要功能是： 將來自微處理器的發(fā)送信號TX 通過“ 發(fā)送器” 轉(zhuǎn)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“ 接收器”轉(zhuǎn)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 總線發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)；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自RS-485總線的數(shù)據(jù)字節(jié)。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)。

　　圖6 RS-485 電路

　　不論從模擬還是實(shí)驗(yàn)角度來看， 在PWM 調(diào)光驅(qū)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(wěn)定在一個(gè)可通過理論計(jì)算得出的值附近。本文綜合了模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光的共同優(yōu)點(diǎn)， 且可以利用RS-485 ， 通過PWM 波與驅(qū)動(dòng)電路中LED 上電流的函數(shù)關(guān)系， 改變PWM 波的占空比， 即可讓LED 有著理想的電流值， 并用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)、細(xì)致地改變LED 的亮度。