LED调光实验报告

发布时间：2020-05-18

高亮度发光二极管(LED)在各种领域应用普及，并要求LED具备有调光功能。在现在的几种调光技术中，从简单的可变电阻负载到复杂的脉冲宽度调制(PWM)开关，每一种方法均有其利弊。PWM调光的效率最高，电流控制也最精准。本文以LED驱动器LM3405为例，论述LED在调光时的特性，例如亮度与正向电流的关系、波长的变化(色移)和控制器的工作周期限制等。

1、LED驱动器工作原理

由于LED的功率低于1 W，所以可用任何类型的电压源(开关器、晶体管)和串串联电阻建构一个电流源。对于少数光线输出端电流的改变而造成亮度和颜色的变化，人的肉眼是不容易察觉出来。不过，一旦将多个LED串联，该稳压器便必需担当电流源的角色。这是因为LED的正向电压VF会随正向电流IF变化，图1是LED波长随着正向电流IF变化图，而该变化对于每个LED都不相同的，即使是同一批产品也有区别。在较大的电流下，光线的强度变化通常约为20%。而 LED制造商一般都会采用较大的VF范围来增加亮度和颜色，因此上述情况尤其突出。然而，除了电流外，正向电压还会受到温度影响。假如只采用镇流电阻器，则光源的颜色和亮度变化很大，而唯一可确保色温稳定的方法是稳定前正向电流IF。

大部分设计人员只习惯为LED设计稳压器，但在设计电流调节器方面显然有不同的要求。电压输出必须要配合固定的输出电流。虽然在大多数应用中， LED驱动器的输出电流可容许误差±10%，而直流电流的输出纹波更可高达20%，一旦纹波超出20%，人的肉眼便会察觉到亮度的变化，假如输出纹波进一步增加到40%，肉眼就无法承受。

2、器件和设计实例

一般而言，电流调节器的设计都需使用比较大的电感以使电感电流IL的变化少于20%。这里可采用LM3405，即使电感由于1.6 MHz的高开关频率而变得较小，仍可发挥很好的效用。LM3405性能参数如下：

控制方法：

封装：电流模式 TSOT-6

最大输入电压： 15V

应用：工业照明 1A 1~22uF 4.7~10uH 驱动电流： 输出电容： 电感：

3、脉冲宽度调制调光技术

PWM控制是降低LED光线输出的最佳方法。这种控制方法可在保持控制器2高效工作的同时，提供一个相对稳定的颜色输出。在衡量调光质量方面，对比度CR是一个重要的指标，数值越大，表示光线输出的控制越精准。现今，有些驱动电路制造商声称其产品的调光频率可以高至开关频率的50%，因而可获得良好的对比度。理论上，这是有可能的，但这要求稳压器必须在不连续导电模式(DCM)和连续导电模式(CCM)之间正常工作，而这种工作对于设计而言未必是最好的方法。然而，设置PWM频率比开关频率高一级，其稳定性最好。实验数据显示，采用LM3045，调光频率为5 kHz时，稳定性最好。

设置最低调光频率下限是基于:当开关频率低于100 Hz时，肉眼便可看到抖动或闪烁。至于最高频率上限是调光脉冲施加器件后，电路所需的启动时间。以LM3405为例，器件首先会经历一个通电重设，之后进入软启动。整个延迟直到LED电流被完全建立约为100μs，而额外调光脉冲的上升时间(tSU)和下降时间(tSD)会跟随最低调光脉冲到达。

DDIM(min)=(tD+tSU)/T

计算对比度，假设fDIM=1 000 Hz、TDIM=1 ms， 从LM3405数据资料中得知tSU=20μs，则对比度CR为:

DDIM(min)=(20μs+100μs)/1 ms=0.12，则对比度CR=1/DDIM(min)=8.3

从上式可明显看出，若要得到较佳的对比度，则降低调光频率fDIM。在调光频率100 Hz下，对比度CR为83。但效果比起LM3404并不算高，因为LM3404是专为高对比度而设计的，在500 Hz下LM3404的对比度可达655:1，适用于显示器背光灯和机器显示。对于一般的照明应用而言，对比度接近100即可。然而，LM3405可提供最简单和最小型的1 A LED调光驱动器解决方案。将关机和调光功能结合到一个引脚上，封装尺寸缩少70%(比较PSOP-8与TSOT-6封装)，但启动时间却增加至100μs。

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