LED调光设计方案浅析

摘要：大功率LED灯有节能、高效等诸多优点，很有发展前景。为解决不同场合下对调光的要求以及节能等问题，将调光技术应用到LED驱动器中，其驱动与调光是近年来研究的热点。文章详细对比了模拟调光、可控硅调光和PWM调光三种调光方式，并对它们的工作原理及优缺点进行了分析。

关键词： LED；调光；PWM；可控硅

中图分类号：TN312+.8 文献标识码：B

引 言

当前，节能减排、绿色环保是全世界各个国家的发展共识。根据国际能源署（IEA）估计，商业和住宅照明用电量占全世界每年发电量的20%。因此，以更高能效的方案来替代低能效的现有光源成为如今光源技术发展的一大方向。随着发光二极管（LED）照明技术的飞速发展，其低能耗、高流明、长寿命、低污染的优点，成为一种极为引人注目的替代光源解决方案。近几年来，LED灯广泛用于照明行业的各个领域，舞台灯光行业的LED舞台灯光如LED摇头灯、LED投光灯、LED洗墙灯、LED图案效果灯等舞台LED灯已受到广大用户的认可和喜爱，在产业中所占份额稳步增长。

LED作为一种光源，调光是很重要的，通过减少不必要的光线，以进一步实现节能减排的目的。同时，LED光源调光比其它荧光灯、节能灯、高压钠灯等更容易实现，所以更应该在各种类型的LED照明系统中加上调光功能[1]。针对LED照明中可调光这一需求，很多专家、学者提出了多种适用于LED的驱动方式及策略，本文中对比当前主流的几种驱动方式及策略，并探讨寻求更优化的照明技术。

1 LED的发光原理

LED的发光原理就是将电能转换为光的过程。在半导体PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。通过LED的正向电流越大则LED的发光亮度越高，同时，通过LED电流的稳定性将影响LED的发光稳定性。因此，在实用中应采用可以提供精确稳定电流的LED驱动恒流源。

2 LED调光技术

2.1 模拟调光技术

由于LED亮度在一定范围内与电流成正比关系，LED的模拟调光是对LED电流的每个周期进行调整。更简单地说，它是不断调整LED的电流大小[2]。模拟调光可以通过调整电流检测电阻，或用模拟电压驱动IC的某个调光功能引脚来完成，调光控制范围可达10：1。下文中将以采用LM3406芯片搭建模拟调光电路为例进行介绍，利用LM3406搭建的模拟电路如图1所示。

2.1.1 通过调整Rsns进行模拟调光

当引脚6（CS）使用固定参考电压时，Rsns值的变化将对应LED电流的变化。采用此种方法需要驱动LED的大电流，同时还需要功率合适的电位器。

2.1.2 通过用直流电压驱动CS引脚实现模拟调光

更复杂的技术是通过用电压驱动CS引脚直接控制LED每个周期的电流。通常将电压源插入采样LED电流的反馈回路，并通过放大器进行缓冲，LED电流可以通过放大器的增益进行控制。使用该反馈电路，可以实现电流和热量返送之类的功能，以便进一步保护LED。

然而模拟调光的缺点在于发出的光的色温会随着LED电流的某个函数发生变化[3]，当LED的颜色至关重要，或特定LED的色温在LED电流变化时发生很大改变的情况下，通过改变LED电流，从而对LED的输出进行调光的方式不适用。

2.2 可控硅（TRAIC）调光技术

模拟调光是通过改变输出电流的幅值来实现调光功能，可控硅调光是通过调节电源的输出电压来实现调光功能。由于可控硅相控（斩波法）调光具有体积小、价格合理和调光功率控制范围宽的优点，所以可控硅相控调光法是目前使用最为广泛的调光方法，可控硅调光法可以将荧光灯的光输出在50%～100%的范围内调节。但是在荧光灯的电感镇流应用场合，由于荧光灯电路需用到一只“启辉器”，当荧光灯电感镇流电路在供电电压较低的应用场合会产生荧光灯启动困难的问题，这就限制了荧光灯可控硅相控调光的调光范围。可控硅相控调光的典型应用电路原理图如图2所示。

可控硅相控调光是采用相位控制的方法来实现调光的。对普通反向阻断型的可控硅，其闸流特性表现为当可控硅加上正向阳极电压的同时，又加上适当的正向栅极控制电压时，可控硅就导通。这一导通即使在撤去栅极控制电压后仍将维持，一直到加上反向阳极电压或可控硅阳极电流小于可控硅自身的维持电流后才会关断。故如图2所示，通过改变电阻值可得到不同的导通角，应用切相原理，减小Vrms，以降低普通负载的功率。因此效率较高，性能也稳定。

根据可控硅相控工作原理，通过控制可控硅的导通角，将电网输入的正弦波电压斩掉一部分，以降低输出电压的平均值，达到控制灯电路供电电压，从而实现调光。可控硅相控调光对照明系统的电压调节速度快，调光精度高，调光参数可以分时段实时调整。由于调光电路主要是由电子元件组成，相对来说体积小、设备质量轻、成本低。但是可控硅相控调光由于工作在斩波方式，电压无法实现正弦波输出，由此出现大量谐波，形成对电网系统的谐波污染，危害极大，尤其是不能用于有电容补偿的电路中。

2.3 PWM调光技术

PWM调光是使开关电路以相对于人眼视觉暂留识别能力来说足够高的频率工作，通过设置周期和占空比来改变输出电流平均值，其输出电流只有两种状态：最大额定工作电流和零电流。PWM调光由于其响应速度快，并且能够更加精确地调光，在实际使用中应用得最为广泛，PWM调光原理如图3所示。

在PWM调光中，LED正向电流以减少的占空比在0%至100%间转换，以进行亮度控制。然而，PWM调光信号的频率必须大于100Hz，以免出现闪烁或抖动。为尽量降低可听到噪声和辐射，高端照明系统的调光频率范围一般要求几万赫兹。可是，更高的调光频率将大幅缩小驱动的调光范围，反而降低系统的最大亮度。

LED正向电流以受控的占空比（Ddim）进行开/关（ON/OFF），从而达到想要的亮度级别[4]。Ddim的动态范围定义了PWM调光配置所能实现的最大亮度级别。如上所述，LED亮度与LED正向电流成比例，因此，在使用PWM调光配置时所得到的最高和最低LED电流平均值分别由式（1）和式（2）表示