中心議題：

• LED調光方法
• 采用電感的PWM 調節方法

解決方案：

• PWM調光驅動電路設計
• 電流與PWM 占空比的關系分析
• PWM 占空比調節方式分析

LED 是一種固態電光源，是一種半導體照明器件，其電學特性具有很強的離散性。它具有體積小、機械強度大、功耗低、壽命長，便于調節控制及無污染等特征，有極大發展前景的新型光源產品。LED 調光方法的實現分為兩種：模擬調光和數字調光，其中模擬調光是通過改變LED 回路中電流大小達到調光；數字調光又稱PWM 調光，通過PWM 波開啟和關閉LED 來改變正向電流的導通時間以達到亮度調節的效果。模擬調光通過改變LED 回路中的電流來調節LED 的亮度，缺點是在可調節的電流范圍內，可調檔位受到限制；PWM 波調光可通過改變高低電平的占空比來任意改變LED 的開啟時間，從而使亮度調節的檔位增多。本文擬用兩種方法共同作用，以達到調節LED 亮度的效果。

1 LED 調光方法

模擬調光是通過改變LED 回路中電流大小達到調光， 電源電壓不變， 通過改變R 的電阻值來改變回路中的電流， 從而達到改變LED 亮度的效果。很多其他模擬調光都是采用這種方法的延伸， 其優點是電流可連續， 但可調節電流的范圍往往受到硬件的限制， 調節檔位不多， 對于要求亮度感應敏感的高精度采光設備， 這種方法不理想。

數字調光又稱PWM 調光， 通過PWM 波開啟和關閉LED 來改變正向電流的導通時間， 以達到亮度調節的效果。該方法基于人眼對亮度閃爍不夠敏感的特性，使負載LED 時亮時暗。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 通過調節亮和暗的時間比例實現調節亮度， 在一個PWM 周期內， 因為人眼對大于100 Hz 內的光閃爍， 感知的亮度是一個累積過程， 即亮的時間在整個周期中所占得比例越大， 人眼感覺越亮。但是對于一些高頻采樣的設備， 如高頻采樣攝像頭， 采樣時有可能恰好采到LED 暗時的圖像。因此本文將模擬和數字相結合， 設計了LED 的驅動電路。

2 采用電感的PWM 調節方法

2.1 驅動電路
電路中， 當電感上通有電流時， 電感會產生磁場， 即部分電流轉換成磁能的方式“ 存儲” 在電感中； 當不再向電感上通電流時， 電感會將磁能通過電流的方式在回路中釋放出來。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， 可以將它用來平均PWM 波調光中產生的不連續電流。式（1） 、式（2） 分別是LR 電路的充電和放電過程及電流與時間的關系。

其中，If是最終穩定電流，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 電路的時間常數。

圖1 所示為驅動電路， 電感值的選擇以及PWM 波的頻率選擇在此驅動電路中相當重要。選擇C8051330 芯片作為PWM 波的輸出， 采用定時器翻轉控制高低電平的時間，從而控制PWM 波的占空比。

圖1 驅動電路

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要保證PWM 周期小于電感的τ 時間， 因為若PWM 的周期大于τ， 則極有可能出現在PWM 的占空比變化的情況下， 電路中電流都能達到電感的飽和直流電流， 影響了對LED 電流調節。當C8051330 的時鐘頻率是25 MHz ，PWM 的周期的選擇對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 個檔位的占空比， 因此PWM 波的頻率應選擇在100kHz 以下，即周期在10 μs 以上，直流電感為10Ω， 此時電感值應選擇大于0.1 mH.圖2 分別是PWM 頻率為100kHz ， 占空比為90%， 電感為0.1 mH、1 mH 和40 mH 時電路電流值的模擬結果。

                     
（a）電感值為0.1mH 時電流隨時間關系                （b）電感值為1mH 時電流隨時間關系
           
（c）電感值為40mH 時電流隨時間關系    （d）圖c 曲線局部放大圖
圖2 不同電感值下電流隨時間的變化。

通過模擬可初步選擇40 mH 的電感作為驅動電路所用， 圖3 是用示波器采到的電壓波形圖， 此電壓是電路中串聯了一個20 Ω 的電阻上的電壓， 穩定后電壓為340 mV， 即電路中電流為17 mA.因為實際電路中電流有損耗， 所以實際電流值比模擬電流值偏小， 但整個電流的變化趨勢與模擬基本一致。

圖3 電感值40mH 電路中串聯電阻的電壓變化

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2.2 電流與PWM 占空比的關系
圖4 所示為LED 驅動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。設在PWM 占空比為m 時電路中的電流值在充電曲線上的t1時刻的電流值附近波動， 此時應該滿足以下條件：t 點的充電曲線斜率為k1，a 點處放電曲線斜率為k2， 應有k1mT=|k2 |（1-m）T，驅動電路中的電流因此維持在一個恒定值附近微小波動。

圖4 RL 電路充放電曲線示意圖

分析可知， 當啟動驅動電路后， 經過若干個充放電周期電流達到一個相對穩定的值， 之后電流在這個穩定值附近波動。如圖5 所示， 對每個周期而言， 充電時電流曲線的斜率在不斷下降； 放電時電流曲線的斜率絕對值在不斷增加； 滿足圖4 的條件時， 電流相對穩定。從而得出在LR 電路時間常數τ 一定時， 電感電流隨PWM 占空比的關系為：

其中m 是PWM 占空比。

圖5 是電感電流隨PWM 占空比變化的實驗結果曲線， 該曲線是在電感值為40 mH 時， 電路中串聯了一個22 Ω 電阻的情況下測得的。分析理論公式和實驗結果，可發現在PWM 占空比為36%~86%區間， 電感上電流值隨PWM 波占空比線性變化， 變化趨勢與理論推導一致。

對于高占空比的區間段， 由于充電曲線斜率已經趨近不變， 此時電流值也趨于最大值， 而在低區間段， 由于充電時間較短， 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 占空比變化的實驗結果曲線

2.3 PWM 占空比調節方式
采用電腦通過RS-485 在線控制PWM 占空比的變化， 根據需要在256 個檔位中進行選擇， 每次用電腦向RS-485 發送兩個字節的十六進制命令， 從而改變C8051產生的占空比， 達到改變LED 亮度的目的。
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RS-485 接口電路的主要功能是： 將來自微處理器的發送信號TX 通過“ 發送器” 轉換成通信網絡中的差分信號， 也可以將通信網絡中的差分信號通過“ 接收器”轉換成被微處理器接收的RX 信號。任一時刻，RS-485收發器只能工作在“ 接收” 或“ 發送” 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 信號直接控制SN75LBC184 芯片的發送器/接收器使能：R/D信號為“1 ” ， 則SN75LBC184 芯片的發送器有效， 接收器禁止， 此時微處理器可以向SN75LBC184 總線發送數據字節；R/D 信號為“0 ” 則SN75LBC184 芯片的發送器禁止， 接收器有效， 此時微處理器可以處理來自RS-485總線的數據字節。此電路中， 任意時刻SN75LBC184 芯片中的“接收器”和“發送器”只能夠有一個處于工作狀態。

圖6 RS-485 電路

3 總結

不論從模擬還是實驗角度來看， 在PWM 調光驅動電路中加入電感， 可成功將電路中大范圍變化的電流“ 平均” ， 使其穩定在一個可通過理論計算得出的值附近。本文綜合了模擬調光和數字調光的共同優點， 且可以利用RS-485 ， 通過PWM 波與驅動電路中LED 上電流的函數關系， 改變PWM 波的占空比， 即可讓LED 有著理想的電流值， 并用計算機實時、細致地改變LED 的亮度