張光華，唐臻宇

(四川大學(xué)，四川 成都 641400)

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(zhǎng)，便于調(diào)節(jié)控制及無(wú)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(lái)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[1]。模擬調(diào)光通過改變LED回路中的電流來(lái)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(lái)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(lái)改變回路中的電流，從而達(dá)到改變LED亮度的效果[2]。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(duì)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(lái)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(duì)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?duì)大于100 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(duì)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(chǎng)，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(lái)。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(lái)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(duì)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(duì)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100 kHz以下，即周期在10μs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100 kHz，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。

圖2 不同電感值下電流隨時(shí)間的變化

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(shì)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L(zhǎng)ED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

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(cè)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(shì)與理論推導(dǎo)一致。對(duì)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

圖6 RS-485電路

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(lái)自微處理器的發(fā)送信號(hào)TX通過 “發(fā)送器”轉(zhuǎn)換成通信網(wǎng)絡(luò)中的差分信號(hào)，也可以將通信網(wǎng)絡(luò)中的差分信號(hào)通過“接收器”轉(zhuǎn)換成被微處理器接收的RX信號(hào)。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(hào)直接控制SN75LBC184芯片的發(fā)送器/接收器使能：R/D信號(hào)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(hào)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(lái)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)。

不論從模擬還是實(shí)驗(yàn)角度來(lái)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。

[1]程安林，王晉，尚相榮.白光LED的PWM驅(qū)動(dòng)方式分析[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18(2)：109-111.

[2]段哲民，陳志寅，任艷單.單端初級(jí)電感變換器拓?fù)涞腖ED的電源設(shè)計(jì)[J].電源設(shè)計(jì)電力電子技術(shù)，2010，44(8)：95-96.