PWM調(diào)光技術(shù)：如何優(yōu)化LED色彩穩(wěn)定度

本文探討提供發(fā)光二極體(LED)調(diào)光的方法，分析LED調(diào)光對其長期性能及所發(fā)射出光的色彩穩(wěn)定性之影響，并特別探討如何結(jié)合使用線性恒流穩(wěn)流器(CCR)及數(shù)位電晶體來提供脈沖寬度調(diào)變(PWM)調(diào)光。

PWM為改變LED光輸出首要方法

光要多少才足夠？要求的發(fā)光量通常由所處環(huán)境與用途決定。就會議室而言，一般圓桌會議時的照明可能非常亮；但若使用投影系統(tǒng)來觀看會議材料，會議室的光就可能會調(diào)暗很多；起居室的照明通常會被調(diào)節(jié)從而營造恰當(dāng)?shù)姆諊?；而汽車儀表板的背光則通常根據(jù)日間或夜間駕駛來自動調(diào)節(jié)。

光源已從非常易于調(diào)節(jié)的白熾燈轉(zhuǎn)向要求以特殊電路提供不同光等級的螢光燈。LED是業(yè)界出現(xiàn)的最新一代光源，要求采用新的電子電路來改變光等級。改變LED光輸出的方法有兩種，第一種是減小流經(jīng)LED的電流，而LED發(fā)射的光量與流經(jīng)LED的電流成正比；第二種方法是為LED提供脈波電流，LED發(fā)射出的光與工作周期(Duty Cycle)成正比。

使用減小電流的方法進(jìn)行LED調(diào)光類似于大多數(shù)白熾燈泡使用的調(diào)光方法。這種減小電流的方法在為數(shù)不多的應(yīng)用中可以接受，但隨著光等級降低，LED發(fā)出的光色彩也根據(jù)電流而變化。電流較小時，色度(Chromaticity)朝向黃色變化。圖1顯示不同電流時的典型色度變化。

 
圖1 LED不同正向電流時的典型色度變化

白熾燈泡的亮度能夠藉減小電流的方法來調(diào)光至低于完整亮度的1%，因為白熾燈是藉由電流流過燈絲，使燈絲發(fā)熱進(jìn)而發(fā)光。但使用減小電流的方法，極難將LED亮度調(diào)至低于完整亮度的5%，因為所需的電壓勢會導(dǎo)致矽結(jié)點破裂并開始導(dǎo)電。LED是二極體，隨著結(jié)點破裂，它就像是電子雪崩，電阻急速下降。要提供足夠電壓，使LED以極低電流導(dǎo)電非常困難。圖2顯示LED在不同正向電壓(V)條件下的典型正向電流的曲線。

 
圖2 LED在不同正向電壓條件下的典型正向電流

為LED提供脈波電流的方法也稱作PWM，這種方法已經(jīng)成為改變光等級的首選方法。LED本身是矽元件，對應(yīng)流經(jīng)它們的電流導(dǎo)通及關(guān)閉而快速地導(dǎo)通和關(guān)閉。開關(guān)時間在100奈秒(ns)等級，相當(dāng)于最大頻率10MHz。應(yīng)用通常以100Hz～100kHz的頻率工作。頻率低于100Hz時，人眼會觀察到LED光閃爍。頻率在500Hz～20kHz之間時，電路可能產(chǎn)生能聽到的雜訊。調(diào)光是通過在單個開關(guān)周期的某部分時間內(nèi)將LED導(dǎo)通；而在此開關(guān)周期的其余部分時間內(nèi)，將LED關(guān)閉來實現(xiàn)。這種導(dǎo)通關(guān)閉周期稱作工作周期(D)，其表達(dá)方式為LED導(dǎo)通時間(TON)除以整個開關(guān)/導(dǎo)通周期時間(TS)(圖3)。

 
圖3 LED的開關(guān)周期示意圖及工作周期計算公式

LED導(dǎo)通時間與光輸出息息相關(guān)

在LED導(dǎo)通期間，流經(jīng)LED的電流保持恒定，使LED發(fā)射的光恒定，且無色度(色彩)變化。亮度與LED導(dǎo)通時間所占的百分比成正比。

可以在LED的串列使用安森美半導(dǎo)體(On Semiconductor)的雙端CCR(如NSI45020AZT1G)及雙極結(jié)晶體管(BJT)(如MMBT3904LT1G)來配置圖4所示的簡單電路，用于汽車儀表板背光。由兩顆4.7kΩ電阻(R1，R2)構(gòu)成的簡單偏置電路置于雙極結(jié)晶體管的基極。電阻值10Ω、精度1%的電阻(R3)置于雙極結(jié)晶體管的射極腳，用來感測電流。測量電阻R3兩端的電壓即可簡單地得出對應(yīng)的電流(200毫伏特=20毫安培)，R3僅用于測量電路電流，設(shè)計完成后即不需要它。電路的供電電壓范圍為直流5～20伏特。由微控制器(MCU)提供的5伏特控制電壓，通過電阻R1施加在雙極結(jié)晶體管的基極，并將雙極結(jié)晶體管導(dǎo)通。CCR會自動地將流經(jīng)LED的電流維持在20毫安培。

 
圖4 在汽車儀表板背光應(yīng)用中使用雙端CCR及BJT所組成的控制電路

可以恰當(dāng)選擇R1和R2的電阻值，使其匹配驅(qū)動電路。雙極結(jié)晶體管通常在0.5伏特電壓時開始導(dǎo)通。若R1=R2(圖4中均為4.7kΩ)，那么這分壓電路就要求大于1伏特的電壓來將雙極結(jié)晶體管導(dǎo)通。若R1=10kΩ且R2=47kΩ，這電路就只需要大于0.6伏特的電壓來導(dǎo)通。

控制訊號的工作頻率為300Hz，脈波寬度為30微秒(μs)。隨著脈波寬度增加，LED導(dǎo)通的總時間也會延長，并提升光輸出。在脈波接近零電平時，光輸出也將接近零。圖5顯示不同工作周期條件下的流明輸出曲線。

圖5 不同工作周期條件下的流明輸出

任何電路開關(guān)電流可能都存在電磁干擾(EMI)問題。由于LED和CCR的開關(guān)速度極快，不到100奈秒，為消除EMI弊病，可在電路中增加一顆電容。在上述圖4所示的基本電路中，雙極結(jié)晶體管的基極與射極之間增加一顆100nF電容，使流經(jīng)電路的電流上升沿(Rising Edge)及下降沿(Falling Edge)的斜坡延長1.5微秒(圖6)。CCR導(dǎo)通關(guān)閉電流的斜坡可以由電阻R1和電容C1的值來控制。

圖6 改變電路后電流上升沿及下降沿的斜坡延長1.5微秒

所選定的延遲/斜坡將影響所選的調(diào)光電路工作頻率，延遲越長，頻率就會越低。延遲時間與最小導(dǎo)通時間比應(yīng)當(dāng)不低于10：1，頻率也受精度及所要求的調(diào)光步驟影響。上升沿及下降沿延遲1.5微秒時，最小導(dǎo)通時間應(yīng)為30微秒。若設(shè)計需要高精度及一百個調(diào)光步驟，那么就要求3毫秒(ms)的總開關(guān)TS或333Hz的頻率。

調(diào)節(jié)電流/LED導(dǎo)通時間實現(xiàn)調(diào)光

LED調(diào)光既可通過減小電流，亦可通過縮短LED導(dǎo)通時間來進(jìn)行。減小電流的方法會導(dǎo)致LED光輸出的色彩變化，首選的方法是通過使用PWM訊號來縮短LED導(dǎo)通的時間。

采用簡單的CCR及雙極結(jié)晶體管和PWM訊號控制的LED能夠輕易地調(diào)光至汽車及建筑物照明應(yīng)用要求的精度。使用雙極結(jié)晶體管使LED能夠以恒定電流驅(qū)動，從而不會有色度變化；光的色彩仍然保持一致，僅是LED發(fā)射的光量減小。