采用电感的PWM调节方法

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。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。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100kHz 以下，即周期在10 μs 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100kHz , 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。

(a)电感值为0.1mH 时电流随时间关系

(b)电感值为1mH 时电流随时间关系

(c)电感值为40mH 时电流随时间关系

(d)图c 曲线局部放大图

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

分析可知， 当启动驱动电路后， 经过若干个充放电周期电流达到一个相对稳定的值， 之后电流在这个稳定值附近波动。如图5 所示， 对每个周期而言， 充电时电流曲线的斜率在不断下降; 放电时电