LED调光实验报告
高亮度发光二极管(LED)在各种领域应用普及,并要求LED具备有调光功能。在现在的几种调光技术中,从简单的可变电阻负载到复杂的脉冲宽度调制(PWM)开关,每一种方法均有其利弊。PWM调光的效率最高,电流控制也最精准。本文以LED驱动器LM3405为例,论述LED在调光时的特性,例如亮度与正向电流的关系、波长的变化(色移)和控制器的工作周期限制等。
1、LED驱动器工作原理
由于LED的功率低于1 W,所以可用任何类型的电压源(开关器、晶体管)和串串联电阻建构一个电流源。对于少数光线输出端电流的改变而造成亮度和颜色的变化,人的肉眼是不容易察觉出来。不过,一旦将多个LED串联,该稳压器便必需担当电流源的角色。这是因为LED的正向电压VF会随正向电流IF变化,图1是LED波长随着正向电流IF变化图,而该变化对于每个LED都不相同的,即使是同一批产品也有区别。在较大的电流下,光线的强度变化通常约为20%。而 LED制造商一般都会采用较大的VF范围来增加亮度和颜色,因此上述情况尤其突出。然而,除了电流外,正向电压还会受到温度影响。假如只采用镇流电阻器,则光源的颜色和亮度变化很大,而唯一可确保色温稳定的方法是稳定前正向电流IF。
大部分设计人员只习惯为LED设计稳压器,但在设计电流调节器方面显然有不同的要求。电压输出必须要配合固定的输出电流。虽然在大多数应用中, LED驱动器的输出电流可容许误差±10%,而直流电流的输出纹波更可高达20%,一旦纹波超出20%,人的肉眼便会察觉到亮度的变化,假如输出纹波进一步增加到40%,肉眼就无法承受。
2、器件和设计实例
一般而言,电流调节器的设计都需使用比较大的电感以使电感电流IL的变化少于20%。这里可采用LM3405,即使电感由于1.6 MHz的高开关频率而变得较小,仍可发挥很好的效用。LM3405性能参数如下:
控制方法:
封装:电流模式 TSOT-6
最大输入电压: 15V
应用:工业照明 1A 1~22uF 4.7~10uH 驱动电流: 输出电容: 电感:
3、脉冲宽度调制调光技术
PWM控制是降低LED光线输出的最佳方法。这种控制方法可在保持控制器2高效工作的同时,提供一个相对稳定的颜色输出。在衡量调光质量方面,对比度CR是一个重要的指标,数值越大,表示光线输出的控制越精准。现今,有些驱动电路制造商声称其产品的调光频率可以高至开关频率的50%,因而可获得良好的对比度。理论上,这是有可能的,但这要求稳压器必须在不连续导电模式(DCM)和连续导电模式(CCM)之间正常工作,而这种工作对于设计而言未必是最好的方法。然而,设置PWM频率比开关频率高一级,其稳定性最好。实验数据显示,采用LM3045,调光频率为5 kHz时,稳定性最好。
设置最低调光频率下限是基于:当开关频率低于100 Hz时,肉眼便可看到抖动或闪烁。至于最高频率上限是调光脉冲施加器件后,电路所需的启动时间。以LM3405为例,器件首先会经历一个通电重设,之后进入软启动。整个延迟直到LED电流被完全建立约为100μs,而额外调光脉冲的上升时间(tSU)和下降时间(tSD)会跟随最低调光脉冲到达。
DDIM(min)=(tD+tSU)/T
计算对比度,假设fDIM=1 000 Hz、TDIM=1 ms, 从LM3405数据资料中得知tSU=20μs,则对比度CR为:
DDIM(min)=(20μs+100μs)/1 ms=0.12,则对比度CR=1/DDIM(min)=8.3
从上式可明显看出,若要得到较佳的对比度,则降低调光频率fDIM。在调光频率100 Hz下,对比度CR为83。但效果比起LM3404并不算高,因为LM3404是专为高对比度而设计的,在500 Hz下LM3404的对比度可达655:1,适用于显示器背光灯和机器显示。对于一般的照明应用而言,对比度接近100即可。然而,LM3405可提供最简单和最小型的1 A LED调光驱动器解决方案。将关机和调光功能结合到一个引脚上,封装尺寸缩少70%(比较PSOP-8与TSOT-6封装),但启动时间却增加至100μs。
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