浙江传媒学院毕业设计（论文）文献综述
基于PWM亮度可调LED灯驱动电路系统设计
一、 背景
自光LED的电学特性具有很强的离散性．而且白光LED是一种周态电光源，是一种半导体照明器件[1]。它具有体积小、机械强度大、功耗低、寿命长，便于调节和控制以及无污染等特征．是一种有极大发展前景的新型光源产品I”。但由于白光LED正向伏安特性非常陡，为其供电比较困难．白色LED l1：作电压的较小波动就会导致工作电流的急剧变化，甚至可能烧坏LEDI21。为了保持LED T作电流稳定，保证LED能正常可靠的工作，驱动电路设计至关重要。这里设计一种基于PWM的可调光LED驱动电路，可提供LED所需的电压和电流，且具有色温高、经济实用、寿命长的特点。
二、 国内外现状
LED光电产业是一个新兴的朝阳产业，具有节能、环保的特点，尤其是2009年12月哥本哈根全球气候会议的低碳减排效应，将LED光电产业更加符合我们国家的能源、减碳战略[2]，而获得更多的产业支持和市场需求，成为一道亮丽的长夜发展风景。
LED产业链总体分为上中下游，分别是LED外延芯片、LED封装及LED应用[3]。作为LED器件的各类应用产品大量使用LED器件，如大型LED显示屏、液晶显示屏的LED背光源、LED照明灯具、LED交通灯和LED汽车灯等，LED器件在应用产品总成本上占了40%到70%，而且LED应用产品的各项性能往往70%器件的性能决定。
国内LED产品出了大量用于各种电器及装置、仪器仪表、设备的显示外，主要集中在[4]：
大中小LED显示屏：室内外广告牌、体育场记分牌、信息显示屏等。 交通信号灯：全国各大中城市的市内交通信号灯、高速公路、铁路和机场信号灯。
光色照明：室外景观照明和室内装饰照明。
专用普通照明：便携式照明（手电筒、头灯）、低照度照明（廊灯、门牌灯）、阅读照明（飞机、火车、汽车的阅读灯）、显微镜等，相机闪光灯、台灯、路灯。
安全照明：矿灯、防爆灯、安全指标灯。
特种照明：军用照明灯（无红外辐射）、医用手术灯（无热辐射）、医用治疗灯、农作物和花卉照明灯。
在LED应用市场上，手机背光市场、即将开发的大尺寸背光市场、汽车市场是目标市场比较集中的“整装”市场，技术要求比较高；未来通用照明市场在细分市场上比较集中，总体看比较分散，但整体规模庞大，进入技术门坎比较高，
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因此背光市场、汽车市场与通用照明市场有利于进入企业持续稳定的成长，这些领域的毛利也更高，国内企业更多的参与到这类市场的布局中来，以赢得未来更广阔的成长空间。在照明驱动IC领域，国内企业还主要出于研发阶段，更没有做到一定规模。没有驱动IC，LED照明灯泡进不了千家万户，同样，LED照明的爆发必将促进驱动IC的大发展。
三、 基于PWM调制的LED亮度可调电路原理和方法
1、PWM调光方案的具体特点
1.1 PWM调光方案的具体特点有以下几点：
1）性能很好．因为PWM调光输出功率采用了功率校正电路，可以提供最好的性能选择 效率更高：
2）用PWM调光从零光到最大光．始终不会有闪烁现象．不管调光程度有多大，允许LED一直在优化的和恒定的电流下工作；
3）在整个调光范围内LED颜色色调保持一致(颜色色调像流明输出一样随LED工作电流的变化而变化)，不但能确保输出电流大小均匀．而且也能确保画面有极高的光暗对比度：
4）使用成本极低，用PWM调整占空比来调光，不需要太多额外的控制电路成本。
1.2 PWM信号原理和形成
PWM调光基于人眼对亮度闪烁不够敏感的特性，使负载LED时亮时暗，如果亮暗的频率超过100 Hz．人眼看到的就是平均亮度，而不是LED的闪烁。PWM调光通过调整亮和暗的时间比例实现调整亮度。这种方法通过把可调占空比和固定频率的数字信号加到调整亮和暗时间比例的引脚即可实现调光，但调光的范围取决于器件内部电路软启动或恢复正常工作的速度，因而范围不是很宽。
2、LED发光源的工作原理和特性 2.1 LED的工作特性
LED灯光系统一般都由电源、LED驱动器、LED、透镜和基板几个部分组成。LED发光二极管是由半导体材料合成的二极管 电子和空穴结合以光子的形式释放出能量．因而具有发光特性 而其光源在靠近PN接口毫米以内产生 发光的波长取决于材料的特性．故此具有不同的发光颜色。系统中的关键器件是LED驱动器，它通过调节工作电压(电流)的大小来改变发光LED的亮度．在电视演播室应用中它必须能够提供一个恒流输出才能保证LED发出的光不会忽明忽暗，不会出现色偏现象，这点非常重要。LED灯光系统的关键特性在于散热、高效率、低成本、调光无闪烁、大范围调光可能、可靠性、安全性和消除色偏。
LED系统素以小巧紧凑而吸引人，这样就导致更高的功率密度 尽管单个LED的功耗不是很大，但是整个系统在长时间使用时，封装空间内温度可能会
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很高，需要采取必要的散热措施，目前流行的办法有：取电气隔离措施 可以实现最高效率的热传递，实现优化的流明输出 设计中尽量去掉对温度变化敏感的无源组件如电解电容等．采用调光解决方案是降低LED功耗的主要途径。
LED系统的拓扑结构因应用的不同而有着不同的选择．小功率应用不需要功率校正可以采用简单的拓扑．如PSR或BUCK拓扑；稍高功率应用中要求进行功率校正，一般采用单级PFC、准谐振(QR)PWM或反激式拓扑 大功率应用诸如舞台灯光、电视演播室应用中 使用LED的一个关键驱动力就是可靠性和低功耗带来的低拥有成本。功率转换效率、PFC功能的高性价比实现和高颜色品质是目前面临的三大技术挑战。
率因数校正电路和半桥谐振DC／DC转换电路．半桥谐振控制器工作在固定的开关频率和固定的占空比．并且此电路不需要输出侧的反馈控制回路．使得谐振DC／DC变换电路工作在效率最高的ZVS和ZCS状态，直流输出电压将跟随功率校正电路的输出[5]。为了使得亮度稳定一致性，可以采用恒流驱动器来实现发光二极管的驱动，使二极管工作在固定电流模式下．亮度稳定性极高．且恒流驱动使得二极管长期工作在一定的电流下 能够维持其较长的使用寿命。
2.2 白光LED的电器特性 1) LED发光强度与电流的关系
LED器件在极限工作电流范围内发光强度随正向电流的增加而增加，但不同半导体材料制成的LED器件，其发光强度与正向电流的变化关系有所不同。从总体上看，发光强度Ir都是随着正向电流If的增加而增加的[6]。
Ir与If的关系曲线描述为达到所需的发光强度，LED应该用多大的电流来驱动。LED发光强度与正向电流的关系如图l所示。图1中的曲线以红色发光LED为例，当正向电流约40 mA时，红色LED的发光强度几乎不再发生变化。也就是说，只要控制红色LED阵列的正向电流达到一定值，其发光强度也就趋向饱和。
图1 发光强度与正向电流的关系
2) 温度对白光LED正向电流的影响
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白光LED的正向电流的大小也随温度的变化而变化的，图2是常用白光LED的允许正向电流随温度的变化曲线。
图2 白光LED正向电流随温度变化曲线
2.3 LED的工作原理
LED器件在极限T 作电流范嗣内发光强度随正向电流的增加而增加、但不同半导体材料制成的LED器件，其发光强度与正向电流的变化关系有所不同。从总体上看，发光强度，Ir都是随着正向电流，If的增加而增加的。
Ir与If的关系曲线描述为达到所需的发光强度，LED应该用多大的电流来驱动。LED发光强度与正向电流的关系如图l所示。图l中的曲线以红色发光LED为例，当正向电流约40 mA时，红色LED的发光强度几乎不再发生变化。也就是说，只要控制红色LED阵列的正向电流达到一定值．其发光强度也就趋向饱和[7]。
2 LED的PWM驱动方式
2.1 PWM信号的原理和形成
PWM调光基于人眼对亮度闪烁不够敏感的特性，使负载LED时亮时暗，如果亮暗的频率超过100 Hz，人眼看到的就是平均亮度[8]，而不是LED的闪烁。PWM调光通过调整亮和暗的时间比例实现调整亮度。这种方法通过把可调占空比和固定频率的数字信号加到调整亮和暗时间比例的引脚即可实现调光，但调光的范围取决于器件内部电路软启动或恢复正常工作的速度，因而范围不是很宽。
PWM原理是以一固定直流电压经过以一定频率打开与闭合的开关K，从而控制改变LED上的电压。设当LED接通时的最大电流为Imax。开关开闭周期为T，每次闭合时间为t，则当占空比为D=t/T时，LED的平均电流为[9]：
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由式可知，当T不变(即开关的开关频率同定)时，只要改变导通时间t，就可以改变LED两端的平均电流。从而改变LED的亮度。
脉冲调宽信号的形成电路有3种[10]：1)可用电压-脉宽变换器产生，即硬件产生脉宽调制信号;2)由软件定时产生，由定时器定时，定时时间受软件控制，并从脉宽信号的输出口P1.0或其他口输出脉宽可调信号;3)由单片机控制外接定时/计数器(如8253)硬件电路产生脉宽调制信号，只需用两个计数器分别工作于方式l和方式2，通过硬件连接便可以产生脉宽调制信号。其中，第1种是硬件电路实现，电路复杂。第2种使用定时器TO，但由于系统计数器不足，必须扩展。第3种是利用8253，非常方便，而且占用的软件时间少。
Atmega 16单片机带有4通道PWM，而且有快速PWM模式、相位修正PWM模式等多种工作模式。考虑到成本及整个系统的简化，本设计直接利用Atmega 16单片机产生脉宽调制信号[11].
2.2 PWM驱动白光LED
LED的发光强度基本上正比于通过LED器件的电流，这说明脉冲电流的平均电流与直流电流相同的条件下，LED的发光亮度一样。另外，用高幅值的脉冲电流驱动LED，然后通过调节脉冲的占空比获得较合适的平均电流，这样可以降低功耗。因为当LED工作在脉冲状态时，人眼觉察到的LED亮度值是介于峰值亮度与平均亮度值之间的。因此，脉冲电流驱动LED可比直接恒流驱动的LED更亮，即获得同样的发光亮度，脉冲电流驱动方式比直流电流驱动方式所需要的平均电流值更小。
其次，对于LED，如果采用脉冲电路驱动，其控制部分采用脉宽调制方式，与恒流控制方式相比，控制部分的控制效率会有比较大的提升，另外还可去掉限流电阻或减小其值。因此，从节能的角度出发，采用脉冲电源驱动方式更好。
脉冲驱动方式是利用人眼的视觉惰性，采用重复向LED器件通断供电的方式使之点亮的。但采用这种驱动方式通常需考虑脉冲电流幅值的确定和重复频率的选择。要获得与直流驱动方式相当的发光强度，脉冲驱动电流的平均值Ia应与直流驱动的电流值相同。平均电流是瞬间电流i的时间积分[12]。
对于矩形波，有
（1）
（2）
式中，Ic为直流驱动电流值，Ia为脉冲驱动电流平均值，IF为脉冲电流幅
值，ton/T是占空比。