摘 要： 介紹通過在PWM調光驅動電路中引入電感，達到平均電流的作用。從模擬和實驗角度得出了驅動電路中電感大小的確定方法，并深入分析了此驅動電路中LED上電流值和PWM波占空比之間的函數依賴關系，可由計算機通過RS-485對LED亮暗程度實現實時、細致的多檔位控制。
關鍵詞： LED；占空比；電感；多檔位
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[1]。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[2]。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。
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。
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。
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。
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。
參考文獻
[1] 程安林，王晉，尚相榮.白光LED的PWM驅動方式分析[J].電子設計工程，2010，18(2)：109-111.
[2] 段哲民，陳志寅，任艷單.單端初級電感變換器拓撲的LED的電源設計[J].電源設計電力電子技術，2010，44(8)：95-96.