「PWM」干货｜详解白光LED的PWM驱动方式

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白光LED的电学特性具有很强的离散性，而且白光LED是一种同态电光源，是一种半导体照明器件。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。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工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LED。为了保持LED工作电流稳定，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。

1 白光LED的电特性

1.1 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。

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。

1.2 温度对白光LED正向电流的影响

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。

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，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：

由(1)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：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。

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。如图3所示，平均电流是瞬间电流i的时间积分。

对于矩形波，有

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。

为了使脉冲驱动方式下的平均电流Ia与直流驱动电流Ic相同，则需使其脉冲电流幅值IF满足

可见脉冲驱动时，脉冲电流的幅值是直流驱动电路的电流幅值的T／ton倍。需注意驱动器件的工作频率，当频率超过一定范同，器件将无法正常工作，因为器件无法正常导通和关断。LED的工作频率是10 MHz到几百MHz范围内。

3 LED照明电路设计

3.1 白光LED供电电源

LM317是可调三端正电压稳压器，输出电压范嗣为1．2～37 V时能提供超过1．5 A的电流。此稳压器易于使用，只通过2个外部电阻设置输出电压。工作时，LM317建立并保持输出与调节端之间1．25 V的标称参考电压(Vref)，该参考电压由R1转换为编程电流，该电流经R2到地，如图4所示。

因为此处调节端的电流IADj控制小于100μA，这一误差可忽略。一个白光LED需要3．3 V直流电压，本设计为3个白光LED串联，需LM317输出9．6 V直流电压，由于LED与场效应管串联，故除去场效应管的压降，可得LM317输出的电压约10V。先确定R1的电阻为220Ω，得出电位器R2的电阻值为1．4 kΩ。

3.2 白光LED的驱动电路

本设计是PWM信号经过三极管VQ1的基极连接到P沟道功率MOSFET IRF9540的栅极上。P沟道功率MOSFET的栅极驱动采用简单的NPN三极管驱动放大电路，以改善MOSFET的导通过程，减少驱动电源的功率。当驱动电路直接驱动功率MOSFET时会引起被驱动功率MOSFET的快速开通和关断，这就可能造成被驱动功率MOSFET漏源极间电压的振荡。一则引起射频干扰；二则有可能造成功率MOSFET遭受过高的电压而击穿损坏。为解决这一问题，需在被驱动功率MOSFET的栅极与驱动电路的输出之间串联一只无感电阻R1。当PWM波输出高电平时，三极管VQ1导通，从而使MOSFET的栅极电压低于源极电压，MOSFET的源极和漏极导通，LED点亮；当PWM波输出低电平时，VQ1截止，LED熄灭。当PWM频率超过100 Hz时，人眼可视平均LED的导通和截止时间，产生LED亮度变化的感觉，其亮度与LED导通周期成正比，如图5所示。

4 结束语

白色LED具有寿命长、可低压驱动、安全稳定等优良特性，因而成为极具发展潜力的新型光源，但LED的半导体特性使其供电系统设计比较困难。为了获得较高的发光效率和调光效果，设计了一个PWM驱动的LED照明电路。利用所设计的LED驱动电路不但方便控制LED的亮度，而且与普通的驱动方式相比，可以极大调高色温。

一种新颖的白光激光器：水的巧妙应用

今天我要给大家介绍一篇最近发表在《高级光子学》杂志上的论文，作者利用水和锂铌晶体的非线性效应，实现了一种新颖的白光激光器，具有超宽带、高能量和高光谱平坦度的特点。这种白光激光器有着广泛的应用前景，比如生物成像、飞秒化学、通信、传感和超快科学等领域。

那么，什么是白光激光器呢？白光激光器是一种能够发射包含可见光范围内所有颜色的光的激光器。我们知道，可见光是由不同波长的电磁波组成的，波长越短，颜色越靠近紫色，波长越长，颜色越靠近红色。当我们把不同波长的光混合在一起，就会产生白色的光。所以，白光激光器就是一种能够同时发射不同波长的光的激光器，而且这些光的强度要比较均匀，也就是说，光谱要比较平坦。

这样的白光激光器有什么好处呢？好处就是，它可以提供更多的信息，更高的分辨率，更好的灵敏度，更快的速度，更低的成本，等等。比如，如果我们用白光激光器来照射一个物体，我们就可以同时观察到它的各种光谱特征，从而更好地分析它的结构、成分、状态等。如果我们用白光激光器来进行光学通信，我们就可以利用它的多波长特性，增加信道的容量，提高传输的速率，降低信号的失真，等等。

那么，如何制造白光激光器呢？目前，最常用的方法是利用光的非线性效应，也就是说，当光的强度非常高的时候，它会和介质发生一些非常复杂的相互作用，从而改变光的波长、相位、极化等特性。其中，有两种非线性效应对于白光激光器的制造非常重要，分别是三阶非线性效应和二阶非线性效应。三阶非线性效应是指光的极化强度和光的电场强度的三次方成正比的效应，它会导致光的自相位调制（SPM）和受激拉曼散射（SRS）等现象。这些现象会使光的波长发生变化，从而产生超连续谱（SC），也就是一种包含很多不同波长的光的谱。二阶非线性效应是指光的极化强度和光的电场强度的平方成正比的效应，它会导致光的二次谐波产生（SHG）等现象。这些现象会使光的波长变为原来的一半，从而产生高频的光。

那么，如何利用这两种非线性效应来制造白光激光器呢？这篇论文的作者提出了一个非常巧妙的方法，他们首先用一个强大的钛宝石飞秒激光器作为泵浦光源，这个激光器可以发射出持续时间为 50 fs，能量高达 4 mJ 的脉冲光。然后，他们用水作为三阶非线性介质，让泵浦光通过水的一段长度，利用水的 SPM 和 SRS 效应，产生了一束超连续谱的光。这个超连续谱的光的波长范围从 600 nm 到 1200 nm，覆盖了红色到近红外的区域。接着，他们用一个水浸泡的啁啾周期极化锂铌晶体（CPPLN）作为二阶非线性介质，让超连续谱的光通过这个晶体，利用晶体的 SHG 效应，产生了一束白光激光。这个白光激光的波长范围从 413 nm 到 907 nm，覆盖了紫色到红色的区域，而且光谱非常平坦，10 dB 的带宽达到了 494 nm，超过了一个八度。这个白光激光的能量为 0.6 mJ，相当于每个波长的平均能量为 1.2 μJ。

这个方法的优点有很多，其中最重要的一点是，它避免了光的损伤和破坏。我们知道，当光的强度非常高的时候，它会对介质造成一些不可逆的损伤，比如烧蚀、裂纹、色心等。这些损伤会影响光的传输和非线性效应的效率，甚至会导致介质的完全失效。为了避免这些损伤，我们通常需要使用一些特殊的材料，比如光纤、晶体、玻璃等，来承受高强度的光。但是，这些材料的成本很高，而且它们的非线性系数很低，所以需要很长的长度或者很高的强度才能产生足够的非线性效应。而这篇论文的作者用水来代替这些材料，水的优点是，它的非线性系数很高，而且它是液体，所以它不会受到光的损伤，而且它可以自动流动，保持新鲜。

这样，就可以用很短的长度或者很低的强度就能产生足够的非线性效应。而且，水的折射率随着温度的变化而变化，这样就可以通过调节水的温度来调节光的相位匹配条件，从而优化非线性效应的效率。另外，水的吸收率随着波长的变化而变化，这样就可以通过选择合适的波长来减少光的吸收损耗，从而提高光的输出能量。这些都是水作为非线性介质的优点。

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