采用電感的PWM調節(jié)方法

LED 是一種固態(tài)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(jié)控制及無污染等特征，有極大發(fā)展前景的新型光源產(chǎn)品。LED 調光方法的實現(xiàn)分為兩種： 模擬調光和數(shù)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(shù)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(jié)的效果。模擬調光通過改變LED 回路中的電流來調節(jié)LED 的亮度， 缺點是在可調節(jié)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(jié)的檔位增多。本文擬用兩種方法共同作用， 以達到調節(jié)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。很多其他模擬調光都是采用這種方法的延伸， 其優(yōu)點是電流可連續(xù)， 但可調節(jié)電流的范圍往往受到硬件的限制， 調節(jié)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(shù)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(jié)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(jié)亮和暗的時間比例實現(xiàn)調節(jié)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(shù)字相結合， 設計了LED 的驅動電路。

2 采用電感的PWM 調節(jié)方法

2.1 驅動電路

電路中， 當電感上通有電流時， 電感會產(chǎn)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(chǎn)生的不連續(xù)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。

其中，If是最終穩(wěn)定電流，I0是放電初始電流，τ (τ=L/R,L 是電感值，R 是回路電阻) 是LR 電路的時間常數(shù)。

圖1 所示為驅動電路， 電感值的選擇以及PWM 波的頻率選擇在此驅動電路中相當重要。選擇C8051330 芯片作為PWM 波的輸出， 采用定時器翻轉控制高低電平的時間，從而控制PWM 波的占空比。

圖1 驅動電路

要保證PWM 周期小于電感的τ 時間， 因為若PWM 的周期大于τ， 則極有可能出現(xiàn)在PWM 的占空比變化的情況下， 電路中電流都能達到電感的飽和直流電流， 影響了對LED 電流調節(jié)。當C8051330 的時鐘頻率是25 MHz ,PWM 的周期的選擇對電流改變檔位的影響很大。若周期越大， 則PWM 占空比的檔位越多， 反之越少。擬用256 個檔位的占空比， 因此PWM 波的頻率應選擇在100kHz 以下，即周期在10 μs 以上，直流電感為10Ω， 此時電感值應選擇大于0.1 mH.圖2 分別是PWM 頻率為100kHz , 占空比為90%, 電感為0.1 mH、1 mH 和40 mH 時電路電流值的模擬結果。

(a)電感值為0.1mH 時電流隨時間關系

(b)電感值為1mH 時電流隨時間關系

(c)電感值為40mH 時電流隨時間關系

(d)圖c 曲線局部放大圖

圖2 不同電感值下電流隨時間的變化。

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(lián)了一個20 Ω 的電阻上的電壓， 穩(wěn)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3 電感值40mH 電路中串聯(lián)電阻的電壓變化

2.2 電流與PWM 占空比的關系

圖4 所示為LED 驅動電路充電以及放電曲線圖，Imax是電路在直流情況下的最大電流。設在PWM 占空比為m 時電路中的電流值在充電曲線上的t1時刻的電流值附近波動， 此時應該滿足以下條件：t 點的充電曲線斜率為k1,a 點處放電曲線斜率為k2, 應有k1mT=|k2 |(1-m)T,驅動電路中的電流因此維持在一個恒定值附近微小波動。

圖4 RL 電路充放電曲線示意圖

分析可知， 當啟動驅動電路后， 經(jīng)過若干個充放電周期電流達到一個相對穩(wěn)定的值， 之后電流在這個穩(wěn)定值附近波動。如圖5 所示， 對每個周期而言， 充電時電流曲線的斜率在不斷下降; 放電時電流曲線的斜率絕對值在不斷增加; 滿足圖4 的條件時， 電流相對穩(wěn)定。從而得出在LR 電路時間常數(shù)τ 一定時， 電感電流隨PWM 占空比的關系為：

其中m 是PWM 占空比。

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(lián)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(fā)現(xiàn)在PWM 占空比為36%~86%區(qū)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(qū)間段， 由于充電曲線斜率已經(jīng)趨近不變， 此時電流值也趨于最大值， 而在低區(qū)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。

圖5 電感電流隨PWM 占空比變化的實驗結果曲線

2.3 PWM 占空比調節(jié)方式

采用電腦通過RS-485 在線控制PWM 占空比的變化， 根據(jù)需要在256 個檔位中進行選擇， 每次用電腦向RS-485 發(fā)送兩個字節(jié)的十六進制命令， 從而改變C8051產(chǎn)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(fā)送信號TX 通過" 發(fā)送器" 轉換成通信網(wǎng)絡中的差分信號， 也可以將通信網(wǎng)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(fā)器只能工作在" 接收" 或" 發(fā)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(fā)送器/接收器使能：R/D信號為"1 " , 則SN75LBC184 芯片的發(fā)送器有效， 接收器禁止， 此時微處理器可以向SN75LBC184 總線發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié);R/D 信號為"0 " 則SN75LBC184 芯片的發(fā)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(shù)據(jù)字節(jié)。此電路中， 任意時刻SN75LBC184 芯片中的"接收器"和"發(fā)送器"只能夠有一個處于工作狀態(tài)。

圖6 RS-485 電路

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(wěn)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(shù)字調光的共同優(yōu)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(shù)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。