白光LED的電學特性具有很強的離散性，而且白光LED是一種同態電光源，是一種半導體照明器件。它具有體積小、機械強度大、功耗低、壽命長，便于調節和控制以及無污染等特征，是一種有極大發展前景的新型光源產品。但由于白光LED正向伏安特性非常陡，為其供電比較困難，白色LED工作電壓的較小波動就會導致工作電流的急劇變化，甚至可能燒壞LED。為了保持LED工作電流穩定，保證LED能正?？煽康墓ぷ?，驅動電路設計至關重要。這里設計一種基于PWM的可調光LED驅動電路，可提供LED所需的電壓和電流，且具有色溫高、經濟實用、壽命長的特點。
1 白光LED的電特性
1．1 LED發光強度與電流的關系
LED器件在極限工作電流范圍內發光強度隨正向電流的增加而增加，但不同半導體材料制成的LED器件，其發光強度與正向電流的變化關系有所不同。從總體上看，發光強度Ir都是隨著正向電流If的增加而增加的。
Ir與If的關系曲線描述為達到所需的發光強度，LED應該用多大的電流來驅動。LED發光強度與正向電流的關系如圖l所示。圖1中的曲線以紅色發光LED為例，當正向電流約40 mA時，紅色LED的發光強度幾乎不再發生變化。也就是說，只要控制紅色LED陣列的正向電流達到一定值，其發光強度也就趨向飽和。
1．2 溫度對白光LED正向電流的影響
白光LED的正向電流的大小也隨溫度的變化而變化的，圖2是常用白光LED的允許正向電流隨溫度的變化曲線。
2 LED的PWM驅動方式
2．1 PWM信號的原理和形成
PWM調光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的閃爍。PWM調光通過調整亮和暗的時間比例實現調整亮度。這種方法通過把可調占空比和固定頻率的數字信號加到調整亮和暗時間比例的引腳即可實現調光，但調光的范圍取決于器件內部電路軟啟動或恢復正常工作的速度，因而范圍不是很寬。
PWM原理是以一固定直流電壓經過以一定頻率打開與閉合的開關K，從而控制改變LED上的電壓。設當LED接通時的最大電流為Imax。開關開閉周期為T，每次閉合時間為t，則當占空比為D=t／T時，LED的平均電流為：
由(1)式可知，當T不變(即開關的開關頻率同定)時，只要改變導通時間t，就可以改變LED兩端的平均電流。從而改變LED的亮度。
脈沖調寬信號的形成電路有3種：1)可用電壓-脈寬變換器產生，即硬件產生脈寬調制信號；2)由軟件定時產生，由定時器定時，定時時間受軟件控制，并從脈寬信號的輸出口P1．0或其他口輸出脈寬可調信號；3)由單片機控制外接定時／計數器(如8253)硬件電路產生脈寬調制信號，只需用兩個計數器分別工作于方式l和方式2，通過硬件連接便可以產生脈寬調制信號。其中，第1種是硬件電路實現，電路復雜。第2種使用定時器TO，但由于系統計數器不足，必須擴展。第3種是利用8253，非常方便，而且占用的軟件時間少。
Atmega 16單片機帶有4通道PWM，而且有快速PWM模式、相位修正PWM模式等多種工作模式。考慮到成本及整個系統的簡化，本設計直接利用Atmega 16單片機產生脈寬調制信號。
2．2 PWM驅動白光LED
LED的發光強度基本上正比于通過LED器件的電流，這說明脈沖電流的平均電流與直流電流相同的條件下，LED的發光亮度一樣。另外，用高幅值的脈沖電流驅動LED，然后通過調節脈沖的占空比獲得較合適的平均電流，這樣可以降低功耗。因為當LED工作在脈沖狀態時，人眼覺察到的LED亮度值是介于峰值亮度與平均亮度值之間的。因此，脈沖電流驅動LED可比直接恒流驅動的LED更亮，即獲得同樣的發光亮度，脈沖電流驅動方式比直流電流驅動方式所需要的平均電流值更小。
其次，對于LED，如果采用脈沖電路驅動，其控制部分采用脈寬調制方式，與恒流控制方式相比，控制部分的控制效率會有比較大的提升，另外還可去掉限流電阻或減小其值。因此，從節能的角度出發，采用脈沖電源驅動方式更好。
脈沖驅動方式是利用人眼的視覺惰性，采用重復向LED器件通斷供電的方式使之點亮的。但采用這種驅動方式通常需考慮脈沖電流幅值的確定和重復頻率的選擇。要獲得與直流驅動方式相當的發光強度，脈沖驅動電流的平均值Ia應與直流驅動的電流值相同。如圖3所示，平均電流是瞬間電流i的時間積分。
對于矩形波，有
式中，Ic為直流驅動電流值，Ia為脈沖驅動電流平均值，IF為脈沖電流幅值，ton／T是占空比。
為了使脈沖驅動方式下的平均電流Ia與直流驅動電流Ic相同，則需使其脈沖電流幅值IF滿足
可見脈沖驅動時，脈沖電流的幅值是直流驅動電路的電流幅值的T／ton倍。需注意驅動器件的工作頻率，當頻率超過一定范同，器件將無法正常工作，因為器件無法正常導通和關斷。LED的工作頻率是10 MHz到幾百MHz范圍內。
3 LED照明電路設計
3．1 白光LED供電電源
LM317是可調三端正電壓穩壓器，輸出電壓范嗣為1．2～37 V時能提供超過1．5 A的電流。此穩壓器易于使用，只通過2個外部電阻設置輸出電壓。工作時，LM317建立并保持輸出與調節端之間1．25 V的標稱參考電壓(Vref)，該參考電壓由R1轉換為編程電流，該電流經R2到地，如圖4所示。
因為此處調節端的電流IADj控制小于100μA，這一誤差可忽略。一個白光LED需要3．3 V直流電壓，本設計為3個白光LED串聯，需LM317輸出9．6 V直流電壓，由于LED與場效應管串聯，故除去場效應管的壓降，可得LM317輸出的電壓約10V。先確定R1的電阻為220Ω，得出電位器R2的電阻值為1．4 kΩ。
3．2 白光LED的驅動電路
本設計是PWM信號經過三極管VQ1的基極連接到P溝道功率MOSFET IRF9540的柵極上。P溝道功率MOSFET的柵極驅動采用簡單的NPN三極管驅動放大電路，以改善MOSFET的導通過程，減少驅動電源的功率。當驅動電路直接驅動功率MOSFET時會引起被驅動功率MOSFET的快速開通和關斷，這就可能造成被驅動功率MOSFET漏源極間電壓的振蕩。一則引起射頻干擾；二則有可能造成功率MOSFET遭受過高的電壓而擊穿損壞。為解決這一問題，需在被驅動功率MOSFET的柵極與驅動電路的輸出之間串聯一只無感電阻R1。當PWM波輸出高電平時，三極管VQ1導通，從而使MOSFET的柵極電壓低于源極電壓，MOSFET的源極和漏極導通，LED點亮；當PWM波輸出低電平時，VQ1截止，LED熄滅。當PWM頻率超過100 Hz時，人眼可視平均LED的導通和截止時間，產生LED亮度變化的感覺，其亮度與LED導通周期成正比，如圖5所示。
4 結束語
白色LED具有壽命長、可低壓驅動、安全穩定等優良特性，因而成為極具發展潛力的新型光源，但LED的半導體特性使其供電系統設計比較困難。為了獲得較高的發光效率和調光效果，設計了一個PWM驅動的LED照明電路。利用所設計的LED驅動電路不但方便控制LED的亮度，而且與普通的驅動方式相比，可以極大調高色溫。