带电感的PWM调光方法

张光华，唐臻宇

(四川大学，四川 成都 641400)

LED是一种固态电光源，是一种半导体照明器件，其电学特性具有很强的离散性。它具有体积小、机械强度大、功耗低、寿命长，便于调节控制及无污染等特征，有极大发展前景的新型光源产品。LED调光方法的实现分为两种：模拟调光和数字调光，其中模拟调光是通过改变LED回路中电流大小达到调光；数字调光又称PWM调光，通过PWM波开启和关闭LED来改变正向电流的导通时间以达到亮度调节的效果[1]。模拟调光通过改变LED回路中的电流来调节LED的亮度，缺点是在可调节的电流范围内，可调档位受到限制；PWM波调光可通过改变高低电平的占空比来任意改变LED的开启时间，从而使亮度调节的档位增多。本文拟用两种方法共同作用，以达到调节LED亮度的效果。

1 LED调光方法

模拟调光是通过改变LED回路中电流大小达到调光，电源电压不变，通过改变R的电阻值来改变回路中的电流，从而达到改变LED亮度的效果[2]。很多其他模拟调光都是采用这种方法的延伸，其优点是电流可连续，但可调节电流的范围往往受到硬件的限制，调节档位不多，对于要求亮度感应敏感的高精度采光设备，这种方法不理想。

数字调光又称PWM调光，通过PWM波开启和关闭LED来改变正向电流的导通时间，以达到亮度调节的效果。该方法基于人眼对亮度闪烁不够敏感的特性，使负载LED时亮时暗。如果亮暗的频率超过100 Hz，人眼看到的就是平均亮度，而不是LED在闪烁。PWM通过调节亮和暗的时间比例实现调节亮度，在一个PWM周期内，因为人眼对大于100 Hz内的光闪烁，感知的亮度是一个累积过程，即亮的时间在整个周期中所占得比例越大，人眼感觉越亮。但是对于一些高频采样的设备，如高频采样摄像头，采样时有可能恰好采到LED暗时的图像。因此本文将模拟和数字相结合，设计了LED的驱动电路。

2 采用电感的PWM调节方法

2.1 驱动电路

电路中，当电感上通有电流时，电感会产生磁场，即部分电流转换成磁能的方式“存储”在电感中；当不再向电感上通电流时，电感会将磁能通过电流的方式在回路中释放出来。这也是电感上电流不能突变的原因，基于电感的这种“充放电”原理，可以将它用来平均PWM波调光中产生的不连续电流。式(1)、式(2)分别是LR电路的充电和放电过程及电流与时间的关系。

其中，If是最终稳定电流，I0是放电初始电流，τ(τ=L/R，L是电感值，R是回路电阻)是 LR电路的时间常数。

图1所示为驱动电路，电感值的选择以及PWM波的频率选择在此驱动电路中相当重要。选择C8051330芯片作为PWM波的输出，采用定时器翻转控制高低电平的时间，从而控制PWM波的占空比。

图1 驱动电路

要保证PWM周期小于电感的τ时间，因为若PWM的周期大于 τ，则极有可能出现在PWM的占空比变化的情况下，电路中电流都能达到电感的饱和直流电流，影响了对LED电流调节。当C8051330的时钟频率是25 MHz，PWM的周期的选择对电流改变档位的影响很大。若周期越大，则PWM占空比的档位越多，反之越少。拟用256个档位的占空比，因此PWM波的频率应选择在100 kHz以下，即周期在10μs以上，直流电感为10Ω，此时电感值应选择大于0.1 mH。图2分别是PWM频率为100 kHz，占空比为 90%，电感为 0.1 mH、1 mH和 40 mH时电路电流值的模拟结果。

图2 不同电感值下电流随时间的变化

通过模拟可初步选择40 mH的电感作为驱动电路所用，图3是用示波器采到的电压波形图，此电压是电路中串联了一个20 Ω的电阻上的电压，稳定后电压为340 mV，即电路中电流为17 mA。因为实际电路中电流有损耗，所以实际电流值比模拟电流值偏小，但整个电流的变化趋势与模拟基本一致。

图3 电感值40mH电路中串联电阻的电压变化

2.2 电流与PWM占空比的关系

图4所示为LED驱动电路充电以及放电曲线图，Imax是电路在直流情况下的最大电流。设在PWM占空比为m时电路中的电流值在充电曲线上的t1时刻的电流值附近波动，此时应该满足以下条件：t点的充电曲线斜率为 k1，a点处放电曲线斜率为 k2，应有 k1mT=|k2|(1-m)T，驱动电路中的电流因此维持在一个恒定值附近微小波动。

图4 RL电路充放电曲线示意图

图5是电感电流随PWM占空比变化的实验结果曲线，该曲线是在电感值为40 mH时，电路中串联了一个22 Ω电阻的情况下测得的。分析理论公式和实验结果，可发现在PWM占空比为36%~86%区间，电感上电流值随PWM波占空比线性变化，变化趋势与理论推导一致。对于高占空比的区间段，由于充电曲线斜率已经趋近不变，此时电流值也趋于最大值，而在低区间段，由于充电时间较短，电路中损耗较大，电感上电流值也趋近于零。

图5 电感电流随PWM占空比变化的实验结果曲线

图6 RS-485电路

2.3 PWM占空比调节方式

采用电脑通过RS-485在线控制PWM占空比的变化，根据需要在256个档位中进行选择，每次用电脑向RS-485发送两个字节的十六进制命令，从而改变C8051产生的占空比，达到改变LED亮度的目的。

RS-485接口电路的主要功能是：将来自微处理器的发送信号TX通过 “发送器”转换成通信网络中的差分信号，也可以将通信网络中的差分信号通过“接收器”转换成被微处理器接收的RX信号。任一时刻，RS-485收发器只能工作在“接收”或“发送”两种模式之一。因此，采用了图6所示电路，由微处理器输出的R/D信号直接控制SN75LBC184芯片的发送器/接收器使能：R/D信号为“1”，则 SN75LBC184芯片的发送器有效，接收器禁止，此时微处理器可以向SN75LBC184总线发送数据字节；R/D信号为 “0”则SN75LBC184芯片的发送器禁止，接收器有效，此时微处理器可以处理来自RS-485总线的数据字节。此电路中，任意时刻SN75LBC184芯片中的“接收器”和“发送器”只能够有一个处于工作状态。

不论从模拟还是实验角度来看，在PWM调光驱动电路中加入电感，可成功将电路中大范围变化的电流“平均”，使其稳定在一个可通过理论计算得出的值附近。本文综合了模拟调光和数字调光的共同优点，且可以利用RS-485，通过PWM波与驱动电路中LED上电流的函数关系，改变PWM波的占空比，即可让LED有着理想的电流值，并用计算机实时、细致地改变LED的亮度。

[1]程安林，王晋，尚相荣.白光LED的PWM驱动方式分析[J].电子设计工程，2010，18(2)：109-111.

[2]段哲民，陈志寅，任艳单.单端初级电感变换器拓扑的LED的电源设计[J].电源设计电力电子技术，2010，44(8)：95-96.