本文探討提供發光二極體(LED)調光的方法，分析LED調光對其長期性能及所發射出光的色彩穩定性之影響，并特別探討如何結合使用線性恒流穩流器(CCR)及數位電晶體來提供脈沖寬度調變(PWM)調光。
PWM為改變LED光輸出首要方法
光要多少才足夠？要求的發光量通常由所處環境與用途決定。就會議室而言，一般圓桌會議時的照明可能非常亮；但若使用投影系統來觀看會議材料，會議室的光就可能會調暗很多；起居室的照明通常會被調節從而營造恰當的氛圍；而汽車儀表板的背光則通常根據日間或夜間駕駛來自動調節。
光源已從非常易于調節的白熾燈轉向要求以特殊電路提供不同光等級的螢光燈。LED是業界出現的最新一代光源，要求采用新的電子電路來改變光等級。改變LED光輸出的方法有兩種，第一種是減小流經LED的電流，而LED發射的光量與流經LED的電流成正比；第二種方法是為LED提供脈波電流，LED發射出的光與工作周期(Duty Cycle)成正比。
使用減小電流的方法進行LED調光類似于大多數白熾燈泡使用的調光方法。這種減小電流的方法在為數不多的應用中可以接受，但隨著光等級降低，LED發出的光色彩也根據電流而變化。電流較小時，色度(Chromaticity)朝向黃色變化。圖1顯示不同電流時的典型色度變化。
圖1 LED不同正向電流時的典型色度變化
白熾燈泡的亮度能夠藉減小電流的方法來調光至低于完整亮度的1%，因為白熾燈是藉由電流流過燈絲，使燈絲發熱進而發光。但使用減小電流的方法，極難將LED亮度調至低于完整亮度的5%，因為所需的電壓勢會導致矽結點破裂并開始導電。LED是二極體，隨著結點破裂，它就像是電子雪崩，電阻急速下降。要提供足夠電壓，使LED以極低電流導電非常困難。圖2顯示LED在不同正向電壓(V)條件下的典型正向電流的曲線。
圖2 LED在不同正向電壓條件下的典型正向電流
為LED提供脈波電流的方法也稱作PWM，這種方法已經成為改變光等級的首選方法。LED本身是矽元件，對應流經它們的電流導通及關閉而快速地導通和關閉。開關時間在100奈秒(ns)等級，相當于最大頻率10MHz。應用通常以100Hz～100kHz的頻率工作。頻率低于100Hz時，人眼會觀察到LED光閃爍。頻率在500Hz～20kHz之間時，電路可能產生能聽到的雜訊。調光是通過在單個開關周期的某部分時間內將LED導通；而在此開關周期的其余部分時間內，將LED關閉來實現。這種導通關閉周期稱作工作周期(D)，其表達方式為LED導通時間(TON)除以整個開關/導通周期時間(TS)(圖3)。
圖3 LED的開關周期示意圖及工作周期計算公式
LED導通時間與光輸出息息相關
在LED導通期間，流經LED的電流保持恒定，使LED發射的光恒定，且無色度(色彩)變化。亮度與LED導通時間所占的百分比成正比。
可以在LED的串列使用安森美半導體(On Semiconductor)的雙端CCR(如NSI45020AZT1G)及雙極結晶體管(BJT)(如MMBT3904LT1G)來配置圖4所示的簡單電路，用于汽車儀表板背光。由兩顆4.7kΩ電阻(R1，R2)構成的簡單偏置電路置于雙極結晶體管的基極。電阻值10Ω、精度1%的電阻(R3)置于雙極結晶體管的射極腳，用來感測電流。測量電阻R3兩端的電壓即可簡單地得出對應的電流(200毫伏特=20毫安培)，R3僅用于測量電路電流，設計完成后即不需要它。電路的供電電壓范圍為直流5～20伏特。由微控制器(MCU)提供的5伏特控制電壓，通過電阻R1施加在雙極結晶體管的基極，并將雙極結晶體管導通。CCR會自動地將流經LED的電流維持在20毫安培。
圖4 在汽車儀表板背光應用中使用雙端CCR及BJT所組成的控制電路
可以恰當選擇R1和R2的電阻值，使其匹配驅動電路。雙極結晶體管通常在0.5伏特電壓時開始導通。若R1=R2(圖4中均為4.7kΩ)，那么這分壓電路就要求大于1伏特的電壓來將雙極結晶體管導通。若R1=10kΩ且R2=47kΩ，這電路就只需要大于0.6伏特的電壓來導通。
控制訊號的工作頻率為300Hz，脈波寬度為30微秒(μs)。隨著脈波寬度增加，LED導通的總時間也會延長，并提升光輸出。在脈波接近零電平時，光輸出也將接近零。圖5顯示不同工作周期條件下的流明輸出曲線。
圖5 不同工作周期條件下的流明輸出
任何電路開關電流可能都存在電磁干擾(EMI)問題。由于LED和CCR的開關速度極快，不到100奈秒，為消除EMI弊病，可在電路中增加一顆電容。在上述圖4所示的基本電路中，雙極結晶體管的基極與射極之間增加一顆100nF電容，使流經電路的電流上升沿(Rising Edge)及下降沿(Falling Edge)的斜坡延長1.5微秒(圖6)。CCR導通關閉電流的斜坡可以由電阻R1和電容C1的值來控制。
圖6 改變電路后電流上升沿及下降沿的斜坡延長1.5微秒
所選定的延遲/斜坡將影響所選的調光電路工作頻率，延遲越長，頻率就會越低。延遲時間與最小導通時間比應當不低于10：1，頻率也受精度及所要求的調光步驟影響。上升沿及下降沿延遲1.5微秒時，最小導通時間應為30微秒。若設計需要高精度及一百個調光步驟，那么就要求3毫秒(ms)的總開關TS或333Hz的頻率。
調節電流/LED導通時間實現調光
LED調光既可通過減小電流，亦可通過縮短LED導通時間來進行。減小電流的方法會導致LED光輸出的色彩變化，首選的方法是通過使用PWM訊號來縮短LED導通的時間。
采用簡單的CCR及雙極結晶體管和PWM訊號控制的LED能夠輕易地調光至汽車及建筑物照明應用要求的精度。使用雙極結晶體管使LED能夠以恒定電流驅動，從而不會有色度變化；光的色彩仍然保持一致，僅是LED發射的光量減小。