中心議題：
- LED調(diào)光方法
- 采用電感的PWM 調(diào)節(jié)方法
解決方案：
- PWM調(diào)光驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
- 電流與PWM 占空比的關(guān)系分析
- PWM 占空比調(diào)節(jié)方式分析
LED 是一種固態(tài)電光源，是一種半導(dǎo)體照明器件，其電學(xué)特性具有很強(qiáng)的離散性。它具有體積小、機(jī)械強(qiáng)度大、功耗低、壽命長，便于調(diào)節(jié)控制及無污染等特征，有極大發(fā)展前景的新型光源產(chǎn)品。LED 調(diào)光方法的實(shí)現(xiàn)分為兩種：模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光，其中模擬調(diào)光是通過改變LED 回路中電流大小達(dá)到調(diào)光；數(shù)字調(diào)光又稱PWM 調(diào)光，通過PWM 波開啟和關(guān)閉LED 來改變正向電流的導(dǎo)通時(shí)間以達(dá)到亮度調(diào)節(jié)的效果。模擬調(diào)光通過改變LED 回路中的電流來調(diào)節(jié)LED 的亮度，缺點(diǎn)是在可調(diào)節(jié)的電流范圍內(nèi)，可調(diào)檔位受到限制；PWM 波調(diào)光可通過改變高低電平的占空比來任意改變LED 的開啟時(shí)間，從而使亮度調(diào)節(jié)的檔位增多。本文擬用兩種方法共同作用，以達(dá)到調(diào)節(jié)LED 亮度的效果。
1 LED 調(diào)光方法
模擬調(diào)光是通過改變LED 回路中電流大小達(dá)到調(diào)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(dá)到改變LED 亮度的效果。很多其他模擬調(diào)光都是采用這種方法的延伸， 其優(yōu)點(diǎn)是電流可連續(xù)， 但可調(diào)節(jié)電流的范圍往往受到硬件的限制， 調(diào)節(jié)檔位不多， 對(duì)于要求亮度感應(yīng)敏感的高精度采光設(shè)備， 這種方法不理想。
數(shù)字調(diào)光又稱PWM 調(diào)光， 通過PWM 波開啟和關(guān)閉LED 來改變正向電流的導(dǎo)通時(shí)間， 以達(dá)到亮度調(diào)節(jié)的效果。該方法基于人眼對(duì)亮度閃爍不夠敏感的特性，使負(fù)載LED 時(shí)亮?xí)r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(diào)節(jié)亮和暗的時(shí)間比例實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)亮度， 在一個(gè)PWM 周期內(nèi)， 因?yàn)槿搜蹖?duì)大于100 Hz 內(nèi)的光閃爍， 感知的亮度是一個(gè)累積過程， 即亮的時(shí)間在整個(gè)周期中所占得比例越大， 人眼感覺越亮。但是對(duì)于一些高頻采樣的設(shè)備， 如高頻采樣攝像頭， 采樣時(shí)有可能恰好采到LED 暗時(shí)的圖像。因此本文將模擬和數(shù)字相結(jié)合， 設(shè)計(jì)了LED 的驅(qū)動(dòng)電路。
2 采用電感的PWM 調(diào)節(jié)方法
2.1 驅(qū)動(dòng)電路
電路中， 當(dāng)電感上通有電流時(shí)， 電感會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)， 即部分電流轉(zhuǎn)換成磁能的方式“ 存儲(chǔ)” 在電感中； 當(dāng)不再向電感上通電流時(shí)， 電感會(huì)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(diào)光中產(chǎn)生的不連續(xù)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(shí)間的關(guān)系。
其中，If是最終穩(wěn)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(shí)間常數(shù)。
圖1 所示為驅(qū)動(dòng)電路， 電感值的選擇以及PWM 波的頻率選擇在此驅(qū)動(dòng)電路中相當(dāng)重要。選擇C8051330 芯片作為PWM 波的輸出， 采用定時(shí)器翻轉(zhuǎn)控制高低電平的時(shí)間，從而控制PWM 波的占空比。
圖1 驅(qū)動(dòng)電路
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要保證PWM 周期小于電感的τ 時(shí)間， 因?yàn)槿鬚WM 的周期大于τ， 則極有可能出現(xiàn)在PWM 的占空比變化的情況下， 電路中電流都能達(dá)到電感的飽和直流電流， 影響了對(duì)LED 電流調(diào)節(jié)。當(dāng)C8051330 的時(shí)鐘頻率是25 MHz ，PWM 的周期的選擇對(duì)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(gè)檔位的占空比， 因此PWM 波的頻率應(yīng)選擇在100kHz 以下，即周期在10 μs 以上，直流電感為10Ω， 此時(shí)電感值應(yīng)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(shí)電路電流值的模擬結(jié)果。
（a）電感值為0.1mH 時(shí)電流隨時(shí)間關(guān)系 （b）電感值為1mH 時(shí)電流隨時(shí)間關(guān)系
（c）電感值為40mH 時(shí)電流隨時(shí)間關(guān)系 （d）圖c 曲線局部放大圖
圖2 不同電感值下電流隨時(shí)間的變化。
通過模擬可初步選擇40 mH 的電感作為驅(qū)動(dòng)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(lián)了一個(gè)20 Ω 的電阻上的電壓， 穩(wěn)定后電壓為340 mV， 即電路中電流為17 mA.因?yàn)閷?shí)際電路中電流有損耗， 所以實(shí)際電流值比模擬電流值偏小， 但整個(gè)電流的變化趨勢(shì)與模擬基本一致。
圖3 電感值40mH 電路中串聯(lián)電阻的電壓變化
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2.2 電流與PWM 占空比的關(guān)系
圖4 所示為LED 驅(qū)動(dòng)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(shè)在PWM 占空比為m 時(shí)電路中的電流值在充電曲線上的t1時(shí)刻的電流值附近波動(dòng)， 此時(shí)應(yīng)該滿足以下條件：t 點(diǎn)的充電曲線斜率為k1，a 點(diǎn)處放電曲線斜率為k2， 應(yīng)有k1mT=|k2 |（1-m）T，驅(qū)動(dòng)電路中的電流因此維持在一個(gè)恒定值附近微小波動(dòng)。
圖4 RL 電路充放電曲線示意圖
分析可知， 當(dāng)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路后， 經(jīng)過若干個(gè)充放電周期電流達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值， 之后電流在這個(gè)穩(wěn)定值附近波動(dòng)。如圖5 所示， 對(duì)每個(gè)周期而言， 充電時(shí)電流曲線的斜率在不斷下降； 放電時(shí)電流曲線的斜率絕對(duì)值在不斷增加； 滿足圖4 的條件時(shí)， 電流相對(duì)穩(wěn)定。從而得出在LR 電路時(shí)間常數(shù)τ 一定時(shí)， 電感電流隨PWM 占空比的關(guān)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(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線， 該曲線是在電感值為40 mH 時(shí)， 電路中串聯(lián)了一個(gè)22 Ω 電阻的情況下測(cè)得的。分析理論公式和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)在PWM 占空比為36%~86%區(qū)間， 電感上電流值隨PWM 波占空比線性變化， 變化趨勢(shì)與理論推導(dǎo)一致。
對(duì)于高占空比的區(qū)間段， 由于充電曲線斜率已經(jīng)趨近不變， 此時(shí)電流值也趨于最大值， 而在低區(qū)間段， 由于充電時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線
2.3 PWM 占空比調(diào)節(jié)方式
采用電腦通過RS-485 在線控制PWM 占空比的變化， 根據(jù)需要在256 個(gè)檔位中進(jìn)行選擇， 每次用電腦向RS-485 發(fā)送兩個(gè)字節(jié)的十六進(jìn)制命令， 從而改變C8051產(chǎn)生的占空比， 達(dá)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(fā)送信號(hào)TX 通過“ 發(fā)送器” 轉(zhuǎn)換成通信網(wǎng)絡(luò)中的差分信號(hào)， 也可以將通信網(wǎng)絡(luò)中的差分信號(hào)通過“ 接收器”轉(zhuǎn)換成被微處理器接收的RX 信號(hào)。任一時(shí)刻，RS-485收發(fā)器只能工作在“ 接收” 或“ 發(fā)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(hào)直接控制SN75LBC184 芯片的發(fā)送器/接收器使能：R/D信號(hào)為“1 ” ， 則SN75LBC184 芯片的發(fā)送器有效， 接收器禁止， 此時(shí)微處理器可以向SN75LBC184 總線發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)；R/D 信號(hào)為“0 ” 則SN75LBC184 芯片的發(fā)送器禁止， 接收器有效， 此時(shí)微處理器可以處理來自RS-485總線的數(shù)據(jù)字節(jié)。此電路中， 任意時(shí)刻SN75LBC184 芯片中的“接收器”和“發(fā)送器”只能夠有一個(gè)處于工作狀態(tài)。
圖6 RS-485 電路
3 總結(jié)
不論從模擬還是實(shí)驗(yàn)角度來看， 在PWM 調(diào)光驅(qū)動(dòng)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(wěn)定在一個(gè)可通過理論計(jì)算得出的值附近。本文綜合了模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光的共同優(yōu)點(diǎn)， 且可以利用RS-485 ， 通過PWM 波與驅(qū)動(dòng)電路中LED 上電流的函數(shù)關(guān)系， 改變PWM 波的占空比， 即可讓LED 有著理想的電流值， 并用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)、細(xì)致地改變LED 的亮度
