LED的模擬和數(shù)字調(diào)光技術(shù)改善光質(zhì)量

LED為主流照明提供了許多優(yōu)勢。長壽，高效率和穩(wěn)健性等因素對消費(fèi)者具有吸引力，特別是隨著技術(shù)價(jià)格的不斷下降。

然而，存在一些缺點(diǎn)。其中最主要的是LED并不是傳統(tǒng)光源（如白熾燈泡或熒光燈管）的“替代”替代品。 LED需要特殊的驅(qū)動(dòng)器以滿足其變幻無常的功率需求。此外，消費(fèi)者過去通過簡單地調(diào)低電源電壓來調(diào)整傳統(tǒng)燈的亮度，發(fā)現(xiàn)同樣的方法對于固態(tài)燈來說效果不佳。

本文考慮了為什么電壓的變化會(huì)影響光輸出和發(fā)出的顏色通過LED。然后，文章在結(jié)束之前描述了模擬和數(shù)字調(diào)光技術(shù)，這對于減輕由電流調(diào)節(jié)引起的對光質(zhì)量的最壞影響是最佳的。

主導(dǎo)頻移

LED僅在發(fā)光時(shí)發(fā)光外部施加電壓用于將LED正向偏置到最小閾值以上。高于該閾值電壓（V0），電勢能足以將電子推出n型材料，穿過結(jié)勢壘（或能隙），并進(jìn)入p型區(qū)域。在p型區(qū)域，當(dāng)電子以光子的形式放棄能量時(shí)，電子很可能與空位或“空穴”重新組合。

高于閾值電壓隨著LED上的偏置電壓增加，電流和光輸出呈指數(shù)增加，因?yàn)楦嗟碾娮油ㄟ^結(jié)點(diǎn)釋放。

LED根據(jù)量子力學(xué)定律運(yùn)行，因此兩者之間存在相關(guān)性閾值電壓和光子的能量。該關(guān)系由下式描述：

eV0 = Eg = hf = hc/λ

Eg是能隙的大小，V0是閾值電壓，f和λ是發(fā)射光子的頻率和波長，c是光速，e是電荷，h是普朗克常數(shù)。

重要的是要注意到具有給定閾值電壓的給定LED的每個(gè)發(fā)射光子的波長和頻率不完全相同。波長和頻率可以根據(jù)以主頻率為中心的鐘形曲線形狀概率函數(shù)而變化。這種分布的原因是重組路徑的長度可以隨著路徑的變化而變化，從而產(chǎn)生波長稍短的光子（圖1和圖2）。主波長和頻率與平均重組路徑長度相關(guān)。

圖1：傳導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的重組路徑長度可能不同。

圖2：圖1所示排列的典型輸出頻譜。

模擬調(diào)光的缺點(diǎn)

圖3（a）和（b）顯示了商用高亮度LED的正向電壓與正向電流的詳細(xì)信息，以及正向電流與相對發(fā)光之間的關(guān)系通量（光輸出）。在此示例中，LED是OSRAM OSLON SSL LED，其額定值為104 lm/W.從圖中可以看出，導(dǎo)通開始于2.87 V左右。制造商建議使用3.1 V的典型正向電壓工作。

圖3 （a）和（b）：OSLON SSL的正向電壓與正向電流和正向電流與相對光通量的關(guān)系。 （由OSRAM提供。）

降低正向電壓，例如使用與LED串聯(lián)的可變電阻，使LED變暗。這種用于調(diào)光的模擬技術(shù)因其簡單和低成本而受到歡迎。

不幸的是，存在很大的缺點(diǎn)。正向電壓的變化改變了芯片中復(fù)合區(qū)的體積，因此改變了復(fù)合路徑長度，改變了輸出光譜的主頻。事實(shí)證明，降低正向電壓 - 使輸出變暗 - 將主頻移動(dòng)到略短的波長。

圖4顯示了各種顏色LED的相對光譜發(fā)射曲線。這里最感興趣的曲線是藍(lán)色LED，以約470nm的波長為中心。這是因?yàn)閹缀跛小鞍咨盠ED都使用藍(lán)色設(shè)備和發(fā)出黃色光的熒光粉。藍(lán)色和黃色的組合可以很好地逼近白色（參見TechZone文章“更白，更亮的LED”）。虛線曲線是眼睛的靈敏度函數(shù)。

圖4：彩色和白色LED的相對光譜發(fā)射曲線。 （由OSRAM提供。）

圖中的曲線繪制在一個(gè)特定的正向電流（20 mA）。但是圖5說明了正向電流變化時(shí)藍(lán)色LED的主頻率會(huì)發(fā)生什么變化。

圖5：主導(dǎo)頻率的變化藍(lán)色LED，正向電流增加。 （由歐司朗提供。）

主導(dǎo)頻率相對較小的變化對消費(fèi)者所感知的LED的亮度有什么影響？事實(shí)證明它實(shí)際上非常重要。

圖6顯示了白色LED的色度坐標(biāo)如何隨著國際照明委員會(huì)（CIE）1931色彩空間中正向電流的增加而變化。這是一個(gè)用于定義燈光顏色的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)（請參閱TechZone文章“Lighting's Color Science”）?？梢钥闯?，在10到50 mA的范圍內(nèi)，顏色的變化相對較大 - 當(dāng)然大到足以被消費(fèi)者檢測到。

圖6：具有不同正向電流（25°C）的白光LED的色度坐標(biāo)。 （由OSRAM提供。）

在某些情況下，在小范圍內(nèi)，模擬調(diào)光引起的顏色變化可能是可以接受的。然而，習(xí)慣于傳統(tǒng)調(diào)光室內(nèi)燈仍然是恒定顏色的消費(fèi)者經(jīng)常對此應(yīng)用中暗淡LED光源的顏色變化感到失望。

與PWM的顏色一致性

更好的LED調(diào)光技術(shù)是保持正向電壓（和正向電流）不變，但使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）可以快速啟動(dòng)和關(guān)閉LED。通過改變脈沖序列的占空比，可以使光變暗，但由于“開”周期內(nèi)的正向電壓保持恒定，所以色度坐標(biāo)沒有偏移，顏色也是一致的。

占空比是脈沖持續(xù)時(shí)間（tP）與信號(hào)周期（T）的比率。高于200Hz的開關(guān)頻率通常足夠快以消除閃爍，使得眼睛看到恒定的照明，但是高于300Hz的頻率可能引起問題，因?yàn)樵诖蜷_和關(guān)閉LED的短暫間隔期間，色度坐標(biāo)可以移位。圖7顯示了三個(gè)不同的脈沖序列，它們都以恒定的正向電流工作。頂部提供中等水平照明，中間較暗，底部較亮。

圖7 ：PWM調(diào)光示例。 D3產(chǎn)生的光輸出比D1更多，而D1則比D2更亮。 （由OSRAM提供。）

圖8顯示PWM解決方案在占空比和亮度之間提供了非常好的線性度。

圖8：隨著PWM占空比增加的相對照明。 （由OSRAM提供。）

如果用于為器件供電的LED驅(qū)動(dòng)器具有啟用或關(guān)閉功能，則實(shí)現(xiàn)PWM控制相對簡單。例如，Maxim的MAX1916可以通過將EN引腳拉低來禁用器件，從而將LED的漏電流限制在1μA。將EN引腳拉高可將編程的正向電壓施加到LED。通過向EN引腳施加PWM信號(hào)，LED的亮度與信號(hào)的占空比成正比。 4

具有調(diào)光功能的驅(qū)動(dòng)器

PWM信號(hào)可以從微處理器的I/O引腳或其外圍設(shè)備之一提供。 （可用的亮度步數(shù)取決于用于此目的的計(jì)數(shù)器寄存器的寬度。）

硅供應(yīng)商通過允許從邏輯芯片直接連接，生成PWM信號(hào)到其LED驅(qū)動(dòng)器，簡化了PWM調(diào)光的實(shí)施。例如，美國國家半導(dǎo)體的LM3407是用于高功率LED的恒流輸出開關(guān)轉(zhuǎn)換器電源。該芯片適用于汽車，工業(yè)和普通照明應(yīng)用。 LM3407具有調(diào)光輸入，可通過PWM實(shí)現(xiàn)LED亮度控制。該公司還提供了一個(gè)方便的評估板，以便工程師可以試用這款驅(qū)動(dòng)器LM3407EVAL-ND。

同樣，凌力爾特提供LT3796。該LED驅(qū)動(dòng)器是一種開關(guān)轉(zhuǎn)換器，用于調(diào)節(jié)恒定電流或恒定電壓。制造商聲稱固定頻率和電流模式架構(gòu)可在寬范圍的電源和輸出電壓下穩(wěn)定工作。該芯片具有PWM輸入，允許LED調(diào)光比高達(dá)3000：1。

就其本身而言，Maxim提供了一種LED驅(qū)動(dòng)器，可將PWM功能集成到單個(gè)芯片上。 MAX16834是一款電流模式高亮度LED驅(qū)動(dòng)器。除驅(qū)動(dòng)由開關(guān)轉(zhuǎn)換器控制的n溝道功率MOSFET開關(guān)外，該器件還驅(qū)動(dòng)n溝道PWM調(diào)光開關(guān)，以使LED變暗。 MAX16834具有恒定頻率峰值電流模式控制和可編程斜率補(bǔ)償，可控制PWM單元的占空比。圖9顯示了該芯片的應(yīng)用電路。

圖9：MAX16834 LED驅(qū)動(dòng)器的PWM調(diào)光應(yīng)用電路。

總結(jié)

隨著LED進(jìn)入主流照明應(yīng)用，消費(fèi)者希望操作模仿傳統(tǒng)照明。制造商一直在努力確保設(shè)備的亮度和模仿白熾燈泡或熒光燈管的顏色。

由于芯片的獨(dú)特電源需求，LED的調(diào)光更具挑戰(zhàn)性。正向電流與正向電壓成指數(shù)關(guān)系，因此需要小心控制以將電壓保持在窄范圍內(nèi)。對于低調(diào)光比足夠的廉價(jià)應(yīng)用，通過降低正向電壓進(jìn)行模擬調(diào)光是可以接受的。然而，對于光線質(zhì)量很重要的應(yīng)用，例如室內(nèi)照明，模擬調(diào)光不受消費(fèi)者的歡迎，因?yàn)楣獾念伾珪?huì)發(fā)生顯著變化。

實(shí)施PWM控制 - 正向電壓和正向電流保持恒定 - 允許寬調(diào)光比，而不改變光的顏色。通過利用具有內(nèi)置PWM功能的最新一代LED驅(qū)動(dòng)器，將這種數(shù)字調(diào)光實(shí)現(xiàn)為LED照明設(shè)計(jì)相對容易。