LED调光方法与改善

目前，就LED光源来讲，其调光的方法也要比一般白炽灯、高压钠灯及其它以节能减排为目的的电灯更易进行操作。下面的文章将就LED灯的调光方法及改善进行论述。

0 引言

在设计的初级阶段，单纯地控制LED光源必须格外小心。我们通常采取的方式是使用脉宽调变的方式对复杂的光源进行调控。这就需要设计系统的人员对LED进行驱动方面的拓扑。

降压变换器在对脉宽调变的过程中，优势非常明显。如果要求很高的调光频率和信号转换的频率，或是上述两种情况都需要的话，那么降压变换器就是最好的选择。

一、降压变换器的调光原理

控制LED进行调光从传统意义上来说，LED的调光过程是利用一个直流信号或者脉宽调变的方式来调节LED中的正向电流从而实现对LED的调光。要想调节LED光亮输出的强度，减小通过LED的电流是其中一种方式。但是，LED的彩色也会随着正向电流的改变而改变。这是因为随着电流的变化，LED的色度会发生改变。

很多相关方面的应用(比如液晶显示器的背光照明)都不允许色彩上的漂移导致色彩失真。

不同的光线变化作用于周围的环境中，并且人的眼睛对发光强度带来的微小变化都相当敏感，所以拓宽调光的范围是很有必要的。对于控制LED亮度的方法，可以对其施加一个脉宽调变信号、在不改变LED的彩色的情况下完成对LED的调光。

二、调控方法比较与改善

调控LED灯最为简单的方法就是：在LED的驱动控制中，通过在外部设置电阻来对LED灯进行调光上的控制。这种调光方法虽然有效，但是无法实现很灵活的调控，无法起到为用户改变光亮强度的作用。而线性调节的效率显得非常低下，甚至引起LED白光偏向黄色光谱，造成色彩上的偏转和移动，可能偏转和移动是微小的，但是仍然能够被敏感地检查出来。

采用脉宽调变对LED进行调控的方法，其开关进行工作的频率通常大于100赫兹。LED驱动电流里的脉冲占空因素，可以用脉宽调制进行改变，从而达到调节LED光亮的目的。这里不得不提的是：选用大于100赫兹的开关来调节工作频率，其主要的目的是避免人看到闪光的出现。用脉宽调变对LED进行调节和控制，就使得LED的发光亮度和脉宽调变的脉冲占空因素成正比例。用这样的方式调节LED的光亮，可以在保持LED的发光颜色不变的情况下使LED保持高度的调光比，其范围可以达到三千比一。

线性的调制方法是一种模拟调光。在它的控制下，对LED的正方向工作电流进行调节以此来控制和调节LED,其控制范围可以达到十比一。

脉宽调变来自于“Pulse Width Modulation”

的意译，我们可以把它简单地称为脉宽方面的调制。是运用数字输出的微处理化并控制模拟电路的一种卓有成效的技术，目前，在测绘丈量、移动通信、对功率进行控制和变换等领域得到了广泛的应用。

用脉宽调变来设置周期和占空因素(见图一)，是实现数字化的调控方法最简单的途径。而且降压变换器拓扑也可以实现最完美的性能。

绝大多数的LED都有蓝光谱的光子发射区域。可见的宽幅光通过一个磷面散发出来，磷光在较低电流通过的时候占据主导地位，而使光的颜色接近黄色;LED光在较高电流通过的时候占据主导地位，使光的颜色接近于蓝色，达到一个高颜色温度。当白光LED的数量超过一个的时候，位于邻近位置的颜色温度会发生不同的变化。在光源的应用里面，多个单色的LED互相混合使用也会产生同样的问题。当光源不止一个的时候，呈现在LED中的差异将被发觉。

调节LED的光亮最主要的方法是采用boost和buck-boost快速PWM调光：

PMW调光不适合boost调节器和任何Buck-Boost拓补。因为在持续传导模式中，每个调节器都展示了一个右半平面零。这就很难达到时钟调节器所需要的高控制环带宽。由于右面平面零使用滞后控制，很难在Boost或者Buck-Boost中实现。此外，Boost调节器不允许出现输出电压低于输入电压。对于此条件的实现，需一输出端口短电路予以支持，且还需要运用一并联，利用FET进行在实现调光有些不太现实。这个条件需要一个输入端短电路并且使利用一个并联FET,在Buck-Boost拓扑中实现调光存在着一定的困难性，因为其实现需要一个输出电容或输出短电路中未受控制的输入电感电流。从现实层面来讲真正需要快速PWM调光的时候，最好的解决方案是构建一二级系统，利用一个Buck调节器来作为第二LED驱动级。

如果空间和成本不允许的时候，最好的方式就是设置一个串联开关(如图二所示)。

通过图二可以发现，LED电流可以被即时切断。此外在运行中还应这种考虑到系统的回应，以此来讲此开路即成为了一快速的外部退荷状态其有效的就反馈环进行了断开，促使了调节器输出电压区域上升态势。同时为避免因过压导致失败，需要进行设置输出钳制电路和/或误差放大器。而钳制电路很难利用外部电路实现，因此，串联FET调光只能采取以专用的Boost/Buck-Boost LED驱动IC来进行实现。

通过现实对比，在实现同等照度的情况下，笔者预估PWM会具有一定优势。对于LED光源的单纯控制，需要自设计初期即小心认真对待。光源如果越是复杂，那么便越需要利用PWM调光，所以系统设计者需要谨慎思考LED驱动拓扑。另外Buck调节器为PWM调光方面提供了很多优势。如果调光频率必须很高或者信号转换率必须很快的话，那么Buck调节器无疑就是最好的选择。

同时为避免调光信号出现闪烁或抖动，PWM调光频率必须大于100赫兹，为了进一步的降低噪声和辐射，高端照明系统通常会要求调光频率达到几万赫兹。但是此动作即会产生不良影响，驱动调光的范围将大幅缩小，从而降低系统的最大亮度。

tSU和tSD指电感器电流上升至所需LED电流，并将电流下降到零电流所需的时间，这与LED的驱动器的传动特性有很大的关系。要想在低调光频率下提供较大的调光范围，就应该使用调光方案。但是，调光延迟度如果比较大的话，增加调光频率回使调光范围明显降低。

因为驱动器控制环路的动态响应是有限制的，所以采用固定频率的LED驱动器的并行调光的范围不会显着增加。

PWM调光又分为降压和升压两种方式，降压方式又包含恒频、滞回、恒关断，Sub-Harmonics Osccillation(次谐波震荡)一般发生在降压式架构(Buck)在占空比超过50%的时候，原因是TOFF时间变短，造成芯片内部没有足够时间反应，造成震荡。SQ9910针对这个问题在内部提供特殊设计，是目前世面上同等级的芯片唯一能够解决这个问题的方案。有了这个解决方案，客户系统设计时就可以比较有弹性。输入电压30伏的时候输出电压范围可以从6V到23.6V,占空比高达91.4%,输出可以串接23.6/3.3=7颗。同样的，在输入越高的时候可以串接的数目也可以同比增加。

三、结束语

LED有两种调控光亮的途径：即调光的模拟化和数字化。调光的模拟化是通过改变LED中的电流回路以达到目的。调光数字化又称为脉宽调变，在科学技术日新月异的未来，数字化的调光方式将受到人们越来越多的青睐，它能够更加细致地改变LED中的电流结构。科技改变生活，如果现在运用成熟的技术将推动电子电力领域向前发展。