PWM调光技术：如何优化LED色彩稳定度

本文探讨提供发光二极体(LED)调光的方法，分析LED调光对其长期性能及所发射出光的色彩稳定性之影响，并特别探讨如何结合使用线性恒流稳流器(CCR)及数位电晶体来提供脉冲宽度调变(PWM)调光。

PWM为改变LED光输出首要方法

光要多少才足够？要求的发光量通常由所处环境与用途决定。就会议室而言，一般圆桌会议时的照明可能非常亮；但若使用投影系统来观看会议材料，会议室的光就可能会调暗很多；起居室的照明通常会被调节从而营造恰当的氛围；而汽车仪表板的背光则通常根据日间或夜间驾驶来自动调节。

光源已从非常易于调节的白炽灯转向要求以特殊电路提供不同光等级的萤光灯。LED是业界出现的最新一代光源，要求采用新的电子电路来改变光等级。改变LED光输出的方法有两种，第一种是减小流经LED的电流，而LED发射的光量与流经LED的电流成正比；第二种方法是为LED提供脉波电流，LED发射出的光与工作周期(Duty Cycle)成正比。

使用减小电流的方法进行LED调光类似于大多数白炽灯泡使用的调光方法。这种减小电流的方法在为数不多的应用中可以接受，但随着光等级降低，LED发出的光色彩也根据电流而变化。电流较小时，色度(Chromaticity)朝向黄色变化。图1显示不同电流时的典型色度变化。

 
图1 LED不同正向电流时的典型色度变化

白炽灯泡的亮度能够藉减小电流的方法来调光至低于完整亮度的1%，因为白炽灯是藉由电流流过灯丝，使灯丝发热进而发光。但使用减小电流的方法，极难将LED亮度调至低于完整亮度的5%，因为所需的电压势会导致矽结点破裂并开始导电。LED是二极体，随着结点破裂，它就像是电子雪崩，电阻急速下降。要提供足够电压，使LED以极低电流导电非常困难。图2显示LED在不同正向电压(V)条件下的典型正向电流的曲线。

 
图2 LED在不同正向电压条件下的典型正向电流

为LED提供脉波电流的方法也称作PWM，这种方法已经成为改变光等级的首选方法。LED本身是矽元件，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，电路可能产生能听到的杂讯。调光是通过在单个开关周期的某部分时间内将LED导通；而在此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3)。

 
图3 LED的开关周期示意图及工作周期计算公式

LED导通时间与光输出息息相关

在LED导通期间，流经LED的电流保持恒定，使LED发射的光恒定，且无色度(色彩)变化。亮度与LED导通时间所占的百分比成正比。

可以在LED的串列使用安森美半导体(On Semiconductor)的双端CCR(如NSI45020AZT1G)及双极结晶体管(BJT)(如MMBT3904LT1G)来配置图4所示的简单电路，用于汽车仪表板背光。由两颗4.7kΩ电阻(R1，R2)构成的简单偏置电路置于双极结晶体管的基极。电阻值10Ω、精度1%的电阻(R3)置于双极结晶体管的射极脚，用来感测电流。测量电阻R3两端的电压即可简单地得出对应的电流(200毫伏特=20毫安培)，R3仅用于测量电路电流，设计完成后即不需要它。电路的供电电压范围为直流5～20伏特。由微控制器(MCU)提供的5伏特控制电压，通过电阻R1施加在双极结晶体管的基极，并将双极结晶体管导通。CCR会自动地将流经LED的电流维持在20毫安培。

 
图4 在汽车仪表板背光应用中使用双端CCR及BJT所组成的控制电路

可以恰当选择R1和R2的电阻值，使其匹配驱动电路。双极结晶体管通常在0.5伏特电压时开始导通。若R1=R2(图4中均为4.7kΩ)，那么这分压电路就要求大于1伏特的电压来将双极结晶体管导通。若R1=10kΩ且R2=47kΩ，这电路就只需要大于0.6伏特的电压来导通。

控制讯号的工作频率为300Hz，脉波宽度为30微秒(μs)。随着脉波宽度增加，LED导通的总时间也会延长，并提升光输出。在脉波接近零电平时，光输出也将接近零。图5显示不同工作周期条件下的流明输出曲线。

图5 不同工作周期条件下的流明输出

任何电路开关电流可能都存在电磁干扰(EMI)问题。由于LED和CCR的开关速度极快，不到100奈秒，为消除EMI弊病，可在电路中增加一颗电容。在上述图4所示的基本电路中，双极结晶体管的基极与射极之间增加一颗100nF电容，使流经电路的电流上升沿(Rising Edge)及下降沿(Falling Edge)的斜坡延长1.5微秒(图6)。CCR导通关闭电流的斜坡可以由电阻R1和电容C1的值来控制。

图6 改变电路后电流上升沿及下降沿的斜坡延长1.5微秒

所选定的延迟/斜坡将影响所选的调光电路工作频率，延迟越长，频率就会越低。延迟时间与最小导通时间比应当不低于10：1，频率也受精度及所要求的调光步骤影响。上升沿及下降沿延迟1.5微秒时，最小导通时间应为30微秒。若设计需要高精度及一百个调光步骤，那么就要求3毫秒(ms)的总开关TS或333Hz的频率。

调节电流/LED导通时间实现调光

LED调光既可通过减小电流，亦可通过缩短LED导通时间来进行。减小电流的方法会导致LED光输出的色彩变化，首选的方法是通过使用PWM讯号来缩短LED导通的时间。

采用简单的CCR及双极结晶体管和PWM讯号控制的LED能够轻易地调光至汽车及建筑物照明应用要求的精度。使用双极结晶体管使LED能够以恒定电流驱动，从而不会有色度变化；光的色彩仍然保持一致，仅是LED发射的光量减小。