帶電感的PWM調光方法

張光華，唐臻宇

(四川大學，四川 成都 641400)

LED是一種固態電光源，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，便于調節控制及無污染等特征，有極大發展前景的新型光源產品。LED調光方法的實現分為兩種：模擬調光和數字調光，其中模擬調光是通過改變LED回路中電流大小達到調光；數字調光又稱PWM調光，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節的效果[1]。模擬調光通過改變LED回路中的電流來調節LED的亮度，缺點是在可調節的電流范圍內，可調檔位受到限制；PWM波調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，從而使亮度調節的檔位增多。本文擬用兩種方法共同作用，以達到調節LED亮度的效果。

1 LED調光方法

模擬調光是通過改變LED回路中電流大小達到調光，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[2]。很多其他模擬調光都是采用這種方法的延伸，其優點是電流可連續，但可調節電流的范圍往往受到硬件的限制，調節檔位不多，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。

數字調光又稱PWM調光，通過PWM波開啟和關閉LED來改變正向電流的導通時間，以達到亮度調節的效果。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通過調節亮和暗的時間比例實現調節亮度，在一個PWM周期內，因為人眼對大于100 Hz內的光閃爍，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字相結合，設計了LED的驅動電路。

2 采用電感的PWM調節方法

2.1 驅動電路

電路中，當電感上通有電流時，電感會產生磁場，即部分電流轉換成磁能的方式“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波調光中產生的不連續電流。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。

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

圖1 驅動電路

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電流調節。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100 kHz以下，即周期在10μs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100 kHz，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果。

圖2 不同電感值下電流隨時間的變化

通過模擬可初步選擇40 mH的電感作為驅動電路所用，圖3是用示波器采到的電壓波形圖，此電壓是電路中串聯了一個20 Ω的電阻上的電壓，穩定后電壓為340 mV，即電路中電流為17 mA。因為實際電路中電流有損耗，所以實際電流值比模擬電流值偏小，但整個電流的變化趨勢與模擬基本一致。

圖3 電感值40mH電路中串聯電阻的電壓變化

2.2 電流與PWM占空比的關系

圖4所示為LED驅動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。設在PWM占空比為m時電路中的電流值在充電曲線上的t1時刻的電流值附近波動，此時應該滿足以下條件：t點的充電曲線斜率為 k1，a點處放電曲線斜率為 k2，應有 k1mT=|k2|(1-m)T，驅動電路中的電流因此維持在一個恒定值附近微小波動。

圖4 RL電路充放電曲線示意圖

圖5是電感電流隨PWM占空比變化的實驗結果曲線，該曲線是在電感值為40 mH時，電路中串聯了一個22 Ω電阻的情況下測得的。分析理論公式和實驗結果，可發現在PWM占空比為36%~86%區間，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一致。對于高占空比的區間段，由于充電曲線斜率已經趨近不變，此時電流值也趨于最大值，而在低區間段，由于充電時間較短，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占空比變化的實驗結果曲線

圖6 RS-485電路

2.3 PWM占空比調節方式

采用電腦通過RS-485在線控制PWM占空比的變化，根據需要在256個檔位中進行選擇，每次用電腦向RS-485發送兩個字節的十六進制命令，從而改變C8051產生的占空比，達到改變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送信號TX通過 “發送器”轉換成通信網絡中的差分信號，也可以將通信網絡中的差分信號通過“接收器”轉換成被微處理器接收的RX信號。任一時刻，RS-485收發器只能工作在“接收”或“發送”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芯片的發送器/接收器使能：R/D信號為“1”，則 SN75LBC184芯片的發送器有效，接收器禁止，此時微處理器可以向SN75LBC184總線發送數據字節；R/D信號為 “0”則SN75LBC184芯片的發送器禁止，接收器有效，此時微處理器可以處理來自RS-485總線的數據字節。此電路中，任意時刻SN75LBC184芯片中的“接收器”和“發送器”只能夠有一個處于工作狀態。

不論從模擬還是實驗角度來看，在PWM調光驅動電路中加入電感，可成功將電路中大范圍變化的電流“平均”，使其穩定在一個可通過理論計算得出的值附近。本文綜合了模擬調光和數字調光的共同優點，且可以利用RS-485，通過PWM波與驅動電路中LED上電流的函數關系，改變PWM波的占空比，即可讓LED有著理想的電流值，并用計算機實時、細致地改變LED的亮度。

[1]程安林，王晉，尚相榮.白光LED的PWM驅動方式分析[J].電子設計工程，2010，18(2)：109-111.

[2]段哲民，陳志寅，任艷單.單端初級電感變換器拓撲的LED的電源設計[J].電源設計電力電子技術，2010，44(8)：95-96.