解析基於直流電源和交流電源的LED調光技術

作為一種光源，調光是很重要的。不僅是為了在家居中得到一個更舒適的環境，在今天來說，減少不必要的電光線，以進一步實現節能減排的目的是更加重要的一件事。而且對於LED光源來說，調光也是比其他螢光燈、節能燈、高壓鈉燈等更容易實現，所以更應該在各種類型的LED燈具中加上調光的功能。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/247435.htm

第一部分 採用直流電源LED的調光技術

一.用調正向電流的方法來調亮度

要改變LED的亮度，是很容易實現的。首先想到的是改變它的驅動電流，因為LED的亮度是幾乎和它的驅動電流直接成正比關係。圖1中顯示了Cree公司的XLampXP-G的輸出相對光強和正向電流的關係。

 

 

圖1. XLampXP-G的輸出相對光強和正向電流的關係

由圖中可知，假如以350mA時的光輸出作為100%，那麼200mA時的光輸出就大約是60%，100mA時大約是25%。所以調電流可以很容易實現亮度的調節。

1.1 調節正向電流的方法

調節LED的電流最簡單的方法就是改變和LED負載串聯的電流檢測電阻(圖2a)，幾乎所有DC-DC恆流晶片都有一個檢測電流的接口，是檢測到的電壓和晶片內部的參考電壓比較，來控制電流的恆定。但是這個檢測電阻的值通常很小，只有零點幾歐，如果要在牆上裝一個零點幾歐的電位器來調節電流是不大可能的，因為引線電阻也會有零點幾歐了。所以有些晶片提供一個控制電壓接口，改變輸入的控制電壓就可以改變其輸出恆流值。例如凌特公司的LT3478(圖2b)只要改變R1和R2的比值，也可以改變其輸出的恆流值。

 

 

圖2 輸出恆流值的調節

1.2 調正向電流會使色譜偏移

然而用調正向電流的方法來調亮度會產生一個問題，那就是在調亮度的同時也會改變它的光譜和色溫。因為目前白光LED都是用蘭光LED激發$螢光粉而產生，當正向電流減小時，藍光LED亮度增加而$螢光粉的厚度並沒有按比例減薄，從而使其光譜的主波長增長，具體實例如圖3所示。

 

 

圖3 主波長和正向電流的關係

當正向電流為350mA時，主波長為545.8nm;當正向電流減小為200mA時，主波長為548.6nm;當正向電流減小為100mA時，主波長為550.2nm。

正向電流的改變也會引起色溫的變化(圖4)。

 

 

圖4. 白光LED的色溫和正向電流的關係

由圖4可知，當正向電流為350mA時，色溫為5734K，而正向電流增加到350mA時，色溫就偏移到5636K。電流再進一步減小時，色溫會向暖色變化。

當然這些問題在一般的實際照明中可能不算是一個大問題。然而在採用RGB的LED系統中，就會引起彩色的偏移，而人眼對彩色的偏差是十分敏感的，因此也是不能允許的。

1.3 調電流會產生使恆流源無法工作的嚴重問題

然而在具體實現中，用調正向電流的方法來調光可能會產生一個更為嚴重的問題。

我們知道LED通常是用DC-DC的恆流驅動電源來驅動的，而這類恆流驅動源通常分為升壓型或降壓型兩種(當然還有升降壓型，但由於效率低、價錢貴而不常用)。究竟採用升壓型還是降壓型是由電源電壓和LED負載電壓之間的關係決定的。假如電源電壓低於負載電壓就採用升壓型;假如電源電壓高於負載電壓就採用降壓型。而LED的正向電壓是由其正向電流決定的。從LED的伏安特性(圖5)可知，正向電流的變化會引起正向電壓的相應變化，確切地說，正向電流的減小也會引起正向電壓的減小。所以在把電流調低的時候，LED的正向電壓也就跟著降低。這就會改變電源電壓和負載電壓之間的關係。

 

 

圖5 LED的伏安特性

例如，在一個輸入為24V的LED燈具中，採用了8顆1W的大功率LED串聯起來。在正向電流為350mA時，每個LED的正向電壓是3.3V。那麼8顆串聯就是2*V，比輸入電壓高。所以應該採用升壓型恆流源。但是，為了要調光，把電流降到100mA，這時候的正向電壓只有2.8V，8顆串聯為22.4V，負載電壓就變成低於電源電壓。這樣升壓型恆流源就根本無法工作，而應該採用降壓型。對於一個升壓型的恆流源一定要它工作於降壓是不行的，最後LED就會出現閃爍現象。實際上，只要是採用了升壓型恆流源，在用調正向電流調光時，只要調到很低的亮度幾乎一定會產生閃爍現象。因為那時候的LED負載電壓一定是低於電源電壓。很多人因為不了解其中的問題，還總要去從調光的電路裡去找問題，那是徒勞無益的。

採用降壓型恆流源問題會少一些，因為如果本來電源電壓高於負載電壓，當亮度是往低調，負載電壓是降低的，所以還是需要降壓型恆流源。但是如果調到非常低的正向電流，LED的負載電壓也變得很低，那時候降壓比非常大，也可能超出了這種降壓型恆流源的正常工作範圍，也會使它無法工作而產生閃爍。

1.4 長時間工作於低亮度有可能會使降壓型恆流源效率降低溫升增高而無法工作

一般人可能認為向下調光是降低恆流源的輸出功率，所以不可能會引起降壓型恆流源的功耗加大而溫升增高。殊不知當降低正向電流時所引起的正向電壓降低會使降壓比降低。而降壓型恆流源的效率是和降壓比有關的，降壓比越大，效率越低，損耗在晶片上的功耗越大。圖6是SLM2842J的效率和降壓比的關係曲線。

 

 

圖6 降壓型恆流源的效率和降壓比的關係

圖中的輸入電壓為35V，輸出電流為2A，當輸出電壓為30V時，效率可以高達97.8%。但是當輸出電壓降低到20V時，效率就降為96%;當輸出電壓降低為10V時，效率就降低為92%。在這三種情況下，儘管其輸出功率依次為60W，40W和20W，但是其損耗功率卻依次為1.2W，1.6W，1.6W。後兩種情況下功耗增大了33%。假如恆流模塊的散熱系統設計得非常臨界，增加33%的耗散功率就有可能會使晶片的結溫升高，以致發生過溫保護而無法工作，嚴重時也有可能使晶片燒毀。

1.5 調節正向電流無法得到精確調光

因為正向電流和光輸出並不是完全正比關係，而且不同的LED會有不同的正向電流和光輸出關係曲線。所以用調節正向電流的方法很難實現精確的光輸出控制。

二.採用脈寬調製(PWM)來調光

LED是一個二極體，它可以實現快速開關。它的開關速度可以高達微秒以上。是任何發光器件所無法比擬的。因此，只要把電源改成脈衝恆流源，用改變脈衝寬度的方法，就可以改變其亮度。這種方法稱為脈寬調製(PWM)調光法。圖7表示這種脈寬調製的波形。假如脈衝的周期為tpwm，脈衝寬度為ton，那麼其工作比D(或稱為孔度比)就是ton/tpwm。改變恆流源脈衝的工作比就可以改變LED的亮度。

 

 

圖7 用改變脈衝寬度的方法來改變LED的亮度

2.1 如何實現PWM調光

具體實現PWM調光的方法就是在LED的負載中串入一個MOS開關管(圖8)，這串LED的陽極用一個恆流源供電。

 

 

圖8 用PWM信號快速通斷LED串

然後用一個PWM信號加到MOS管的柵極，以快速地開關這串LED。從而實現調光。也有不少恆流晶片本身就帶一個PWM的接口，可以直接接受PWM信號，再輸出控制MOS開關管。那麼這種PWM調光方法有那些優缺點呢?

2.2脈寬調製調光的優點

1.不會產生任何色譜偏移。因為LED始終工作在滿幅度電流和0之間。

2.可以有極高的調光精確度。因為脈衝波形完全可以控制到很高的精度，所以很容易實現萬分之一的精度。

3.可以和數字控制技術相結合來進行控制。因為任何數字都可以很容易變換成為一個PWM信號。

4. 即使在很大範圍內調光，也不會發生閃爍現象。因為不會改變恆流源的工作條件(升壓比或降壓比)，更不可能發生過熱等問題。