大牛指点：LED调光技术，你知道多少？

作者：songzhige

　　为何要进行灯具调光?曰：通过调光是可以在光照中得到一个更舒适的环境，还能实现节能减排。

　　LED调光怎么实现?曰：LED调光目前有两种思路三个方法：思路一是线性模拟调节LED电流;思路二是PWM数字调光，就是使用开关电路以相对于人眼识别力来说足够高的频率工作来改变光输出的平均值。

　　那种LED调光技术方法最好?曰：模拟和数字调光从节能的角度说没有可比性，从使用的效果上各有各的长处，使用者要根据使用场合和成本上考虑。数字调光是LED驱动技术发展的一大方向，在技术实现上,模拟调光在替换方案中优势明显，而数字调光更符合人们对LED调光精度、效率以及效果的要求。

　　经过上面的三问三曰， 为各位展开我们今天的话题：遇到LED调光，你知道多少?

　　1：线性调光，即通过调节LED正向电流的大小调光，此方法是比较原始的一种。

　　改变通过LED的电流大小，来改变LED的亮度， LED输出输出相对光强和正向电流的关系几乎是正向线性的。如图1。在照明电路中由一个可变电阻进行调光。应用非常简单，也不会产生干扰，但其分压原理是让电能不完全用在灯具(电器)上，没有效率可言。调暗灯光时，调光电阻因分压过多而产生大量的热能，造成能源的浪费和环境的劣化



　　对于3W的大功率LED灯柱来说，以350mA时的光输出作为100%，那么200mA时的光输出就大约是60%，100mA时大约是25%。所以调电流可以很容易实现亮度的调节。

　　这种原始的调光，其缺点也是比较大的，主要是1：用调正向电流的来调亮度，在调亮度的同时也改变光谱和色温。因为目前白光LED都是用兰光LED激发黄色荧光粉而产生，当正向电流减小时，蓝光LED亮度增加而黄色荧光粉的厚度并没有按比例减薄，就会引起彩色的偏移，而人眼对彩色的偏差是十分敏感的。缺点2， LED通常是用DC-DC的恒流驱动电源来驱动的，而恒流驱动源通常分为升压型或降压型两种，正向电流的减小也会引起正向电压的减小。所以在把电流调低的时候，LED的正向电压也就跟着降低。这就会改变电源电压和负载电压之间的关系。调电流会产生使恒流源无法工作的严重问题。

　　2.模拟调光：即可控硅调光，比较传统的模拟调光方法。

　　常见的模拟调光有双向可控硅调光、后沿调光、ON/OFF调光、遥控调光等。可控硅调光器在传统的白炽灯等调光照明应用已久，且不用改变接线，装置成本较低，各品牌可控硅调光器的性能和规格相差不大，但是其直接应用在LED驱动场合还存在着一系列问题。

　　可控硅调光的基本原理如图2：



　　这种调光方法比较可靠，是基于普通的白炽灯和卤素灯的可控硅调光原理。因为白炽灯和卤素灯是一个纯电阻器件，它不要求输入电压一定是正弦波，电流波形永远和电压波形一样，不管电压波形如何偏离正弦波，只要改变输入电压的有效值，就可以调光。

　　LED可控硅其调光电路原理如下图3：当交流电压加双向可控硅TRIAC两端时，由于Rt、Ct组成的RC充电电路有一个充电时间，电容上的电压是从0V开始充电的，且TRIAC的驱动极串联有一个DIAC(双向触发二极管，一般是30V左右)，因此TRIAC可靠截止。当Ct上的电压上升到30V时，DIAC触发导通，TRIAC可靠导通，此时TRIAC两端的电压瞬间变为零，Ct通过Rt迅速放电，当Ct电压跌落到30V以下时，DIAC截止，如果TRIAC通过的电流大于其维持电流则继续导通，如果低于其维持电流将会截止。电感L和电容C的作用是减小电流和电压的变化率，以抑制电磁干扰EMI问题。



　　可控硅LED调光的缺点是：①进行可控硅调光时输入端的LC滤波器会使可控硅产生振荡，这种振荡对于白炽灯是无所谓的，因为白炽灯的热惯性使得人眼根本看不出这种振荡，但是对于LED的驱动电源就会产生音频噪声和闪烁。②可控硅调光会破坏正弦波的波形，从而降低了其功率因素值(通常低于0.5)，因此可控硅调光大大降低了LED的系统效率。而且可控硅调光的波形加大了谐波系数，非正弦的波形会在线路上产生严重的干扰信号(EMI)污染电网，严重的会使电网瘫痪。③不能实现比较宽范围的调光控制，当可控硅导通角较小时，由于此时输入电压和电流均较小，导致维持电流不够或者芯片供电Vcc不够，电路停止工作，使LED产生闪烁。

　　3.数字调光：即PWM( 脉宽调制)调光，这可是比较时髦调光方式。

　　玩电子的人都知道， LED就是一个二极管，它可以实现快速开关，允许的开关速度可以高达微秒以上，是任何发光器件所无法比拟的。把电源改成脉冲恒流源，用改变脉冲宽度的方法，就可以改变其亮度，这种方法称为PWM(脉宽调制)调光法。

　　为LED提供脉波电流的方法也称作PWM，LED本身对应流经它们的电流导通及关闭而快速地导通和关闭。开关时间在100奈秒(ns)等级，相当于最大频率10MHz。应用通常以100Hz～100kHz的频率工作。频率低于100Hz时，人眼会观察到LED光闪烁。频率在500Hz～20kHz之间时，电路就有噪声。调光是通过在单个开关周期的某部分时间内将LED导通;在开关周期的其余部分时间内，将LED关闭来实现。这种导通关闭周期称作工作周期(D)，其表达方式为LED导通时间(TON)除以整个开关/导通周期时间(TS)(图4)。



　　脉宽调制方式是用较高的频率开关LED，开关频率超出人一般能够察觉的范围，给人一种LED总亮的假象，现在普遍采用脉宽调制方式调节LED的亮度，在某些应用中，调光比可达5 000：1，常用的LED驱动方式有降压型(Buck)、升压型(Boost)、升降压型(Buck～Boost)等3种。

　　至于PWM的信号的产生，有模拟器件可以产生，比如NE555就可以产生PWM波形，也可以是MCU控制产生，现在各个芯片厂商，都在轰轰烈烈的做很多LED驱动芯片，其中很多芯片都集成PWM和模拟调光两种方式。下面图5是一个集成PWM的调光驱动IC的设计电路框图。



　　利用PWM进行调光，其对LED灯珠的驱动电流呈方波状，其脉冲宽度可变，经过对脉冲宽度的调制转变为调制LED灯连续点亮的时间，也同时转变了输入功率，从而到达节能、调光的目标。频率跟平常一样大概在200Hz~10KHz;因为人的眼睛视觉的滞后性，不会感觉得到光源在调光过程中产生的闪耀现象。此种调光方法的好处是能改善LED的散热性能，

　　PWM对LED调光的缺陷是驱动电流的过冲对LED芯片的寿命肯定有一定的影响)

　　总的来说，线性通常可以很简单的来实现。但是由于LED光的特性要随着平均驱动电流而偏移。对于单色LED来说，其主波长会改变。对白光LED来说，其相关颜色温度(CCT)会改变。用PWM调光则保证了LED发出设计者需要的颜色。PWM调光也可以提高输出电流精度。模拟调光会降低输出电流的精度。通常来说，相对于模拟调光，PWM调光可以精度大于线性控制光输出。

　　从节能来说，线性调光肯定是不效率底下，而模拟调光和PWM调开篇已经提到光没有可比性。因为PWM是保证CCT和颜色情况下测定电流(光强)，模拟调光则是不存在这个前提。如果要牺牲这个前提来考虑节能的话，需要实测数据。但估计在实现同等照度的情况下，PWM会有优势。

　　从调光响应时间来说，PWM调光由于其响应速度快，并且能够更加精确地调光。在实际使用中应用得最为广泛。