本文設計一種基于PWM的可調(diào)光LED驅(qū)動電路,，可提供LED所需的電壓和電流,，且具有色溫高、經(jīng)濟實用,、壽命長的特點,。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(tài)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(diào)節(jié)和控制以及無污染等特征，是一種有極大發(fā)展前景的新型光源產(chǎn)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(wěn)定，保證LED能正?？煽康墓ぷ?，驅(qū)動電路設計至關(guān)重要。

　　1 白光LED的電特性

　　1.1 LED發(fā)光強度與電流的關(guān)系

　　LED器件在極限工作電流范圍內(nèi)發(fā)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(fā)光強度與正向電流的變化關(guān)系有所不同。從總體上看,，發(fā)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(guān)系曲線描述為達到所需的發(fā)光強度，LED應該用多大的電流來驅(qū)動,。LED發(fā)光強度與正向電流的關(guān)系如圖l所示,。圖1中的曲線以紅色發(fā)光LED為例，當正向電流約40 mA時,，紅色LED的發(fā)光強度幾乎不再發(fā)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(fā)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(qū)動方式

　　2.1 PWM信號的原理和形成

　　PWM調(diào)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(diào)光通過調(diào)整亮和暗的時間比例實現(xiàn)調(diào)整亮度,。這種方法通過把可調(diào)占空比和固定頻率的數(shù)字信號加到調(diào)整亮和暗時間比例的引腳即可實現(xiàn)調(diào)光,，但調(diào)光的范圍取決于器件內(nèi)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(jīng)過以一定頻率打開與閉合的開關(guān)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(guān)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(guān)的開關(guān)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(diào)寬信號的形成電路有3種：1)可用電壓-脈寬變換器產(chǎn)生，即硬件產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號;2)由軟件定時產(chǎn)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(diào)信號;3)由單片機控制外接定時/計數(shù)器(如8253)硬件電路產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號,，只需用兩個計數(shù)器分別工作于方式l和方式2,，通過硬件連接便可以產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號。其中,，第1種是硬件電路實現(xiàn),，電路復雜。第2種使用定時器TO,，但由于系統(tǒng)計數(shù)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,?？紤]到成本及整個系統(tǒng)的簡化，本設計直接利用Atmega 16單片機產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號.

2.2 PWM驅(qū)動白光LED

　　LED的發(fā)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(fā)光亮度一樣。另外,，用高幅值的脈沖電流驅(qū)動LED,，然后通過調(diào)節(jié)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(tài)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(qū)動LED可比直接恒流驅(qū)動的LED更亮,，即獲得同樣的發(fā)光亮度,，脈沖電流驅(qū)動方式比直流電流驅(qū)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(qū)動，其控制部分采用脈寬調(diào)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(jié)能的角度出發(fā)，采用脈沖電源驅(qū)動方式更好,。

　　脈沖驅(qū)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(qū)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(qū)動方式相當?shù)陌l(fā)光強度,，脈沖驅(qū)動電流的平均值Ia應與直流驅(qū)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(qū)動電流值,，Ia為脈沖驅(qū)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(qū)動方式下的平均電流Ia與直流驅(qū)動電流Ic相同，則需使其脈沖電流幅值IF滿足：

　　可見脈沖驅(qū)動時,，脈沖電流的幅值是直流驅(qū)動電路的電流幅值的T/ton倍,。需注意驅(qū)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(guān)斷。LED的工作頻率是10 MHz到幾百MHz范圍內(nèi),。

　　3 LED照明電路設計

　　3.1 白光LED供電電源

　　LM317是可調(diào)三端正電壓穩(wěn)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(wěn)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(diào)節(jié)端之間1.25 V的標稱參考電壓(Vref)，該參考電壓由R1轉(zhuǎn)換為編程電流,，該電流經(jīng)R2到地,，如圖4所示。

　　由穩(wěn)壓輸出電壓公式得到輸出電壓：

　　因為此處調(diào)節(jié)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(lián),，需LM317輸出9.6 V直流電壓,，由于LED與場效應管串聯(lián)，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(qū)動電路

　　本設計是PWM信號經(jīng)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(qū)動采用簡單的NPN三極管驅(qū)動放大電路，以改善MOSFET的導通過程,，減少驅(qū)動電源的功率,。當驅(qū)動電路直接驅(qū)動功率MOSFET時會引起被驅(qū)動功率MOSFET的快速開通和關(guān)斷，這就可能造成被驅(qū)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(qū)動功率MOSFET的柵極與驅(qū)動電路的輸出之間串聯(lián)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(chǎn)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,。