LED調光實驗報告

高亮度發光二極管（LED）在各種領域應用普及，並要求LED具備有調光功能。在現在的幾種調光技術中，從簡單的可變電阻負載到複雜的脈衝寬度調製（PWM）開關，每一種方法均有其利弊。PWM調光的效率最高，電流控制也最精準。本文以LED驅動器LM3405為例，論述LED在調光時的特性，例如亮度與正向電流的關係、波長的變化（色移）和控制器的工作週期限制等。

1、LED驅動器工作原理

由於LED的功率低於1 W，所以可用任何類型的電壓源（開關器、晶體管）和串串聯電阻建構一個電流源。對於少數光線輸出端電流的改變而造成亮度和顏色的變化，人的肉眼是不容易察覺出來。不過，一旦將多個LED串聯，該穩壓器便必需擔當電流源的角色。這是因為LED的正向電壓VF會隨正向電流IF變化，圖1是LED波長隨着正向電流IF變化圖，而該變化對於每個LED都不相同的，即使是同一批產品也有區別。在較大的電流下，光線的強度變化通常約為20%。而 LED製造商一般都會採用較大的VF範圍來增加亮度和顏色，因此上述情況尤其突出。然而，除了電流外，正向電壓還會受到温度影響。假如只採用鎮流電阻器，則光源的顏色和亮度變化很大，而唯一可確保色温穩定的方法是穩定前正向電流IF。

大部分設計人員只習慣為LED設計穩壓器，但在設計電流調節器方面顯然有不同的要求。電壓輸出必須要配合固定的輸出電流。雖然在大多數應用中， LED驅動器的輸出電流可容許誤差±10%，而直流電流的輸出紋波更可高達20%，一旦紋波超出20%，人的肉眼便會察覺到亮度的變化，假如輸出紋波進一步增加到40%，肉眼就無法承受。

2、器件和設計實例

一般而言，電流調節器的設計都需使用比較大的電感以使電感電流IL的變化少於20%。這裏可採用LM3405，即使電感由於1.6 MHz的高開關頻率而變得較小，仍可發揮很好的效用。LM3405性能參數如下：

控制方法：

封裝：電流模式 TSOT-6

最大輸入電壓： 15V

應用：工業照明 1A 1~22uF 4.7~10uH 驅動電流： 輸出電容： 電感：

3、脈衝寬度調製調光技術

PWM控制是降低LED光線輸出的最佳方法。這種控制方法可在保持控制器2高效工作的同時，提供一個相對穩定的顏色輸出。在衡量調光質量方面，對比度CR是一個重要的指標，數值越大，表示光線輸出的控制越精準。現今，有些驅動電路製造商聲稱其產品的調光頻率可以高至開關頻率的50%，因而可獲得良好的對比度。理論上，這是有可能的，但這要求穩壓器必須在不連續導電模式（DCM）和連續導電模式（CCM）之間正常工作，而這種工作對於設計而言未必是最好的方法。然而，設置PWM頻率比開關頻率高一級，其穩定性最好。實驗數據顯示，採用LM3045，調光頻率為5 kHz時，穩定性最好。

設置最低調光頻率下限是基於:當開關頻率低於100 Hz時，肉眼便可看到抖動或閃爍。至於最高頻率上限是調光脈衝施加器件後，電路所需的啟動時間。以LM3405為例，器件首先會經歷一個通電重設，之後進入軟啟動。整個延遲直到LED電流被完全建立約為100μs，而額外調光脈衝的上升時間（tSU）和下降時間（tSD）會跟隨最低調光脈衝到達。

DDIM（min）=（tD+tSU）/T

計算對比度，假設fDIM=1 000 Hz、TDIM=1 ms， 從LM3405數據資料中得知tSU=20μs，則對比度CR為:

DDIM（min）=（20μs+100μs）/1 ms=0.12，則對比度CR=1/DDIM（min）=8.3

從上式可明顯看出，若要得到較佳的對比度，則降低調光頻率fDIM。在調光頻率100 Hz下，對比度CR為83。但效果比起LM3404並不算高，因為LM3404是專為高對比度而設計的，在500 Hz下LM3404的對比度可達655:1，適用於顯示器背光燈和機器顯示。對於一般的照明應用而言，對比度接近100即可。然而，LM3405可提供最簡單和最小型的1 A LED調光驅動器解決方案。將關機和調光功能結合到一個引腳上，封裝尺寸縮少70%（比較PSOP-8與TSOT-6封裝），但啟動時間卻增加至100μs。