LED的模拟和数字调光技术改善光质量

LED为主流照明提供了许多优势。长寿，高效率和稳健性等因素对消费者具有吸引力，特别是随着技术价格的不断下降。

然而，存在一些缺点。其中最主要的是LED并不是传统光源（如白炽灯泡或荧光灯管）的“替代”替代品。 LED需要特殊的驱动器以满足其变幻无常的功率需求。此外，消费者过去通过简单地调低电源电压来调整传统灯的亮度，发现同样的方法对于固态灯来说效果不佳。

本文考虑了为什么电压的变化会影响光输出和发出的颜色通过LED。然后，文章在结束之前描述了模拟和数字调光技术，这对于减轻由电流调节引起的对光质量的最坏影响是最佳的。

主导频移

LED仅在发光时发光外部施加电压用于将LED正向偏置到最小阈值以上。高于该阈值电压（V0），电势能足以将电子推出n型材料，穿过结势垒（或能隙），并进入p型区域。在p型区域，当电子以光子的形式放弃能量时，电子很可能与空位或“空穴”重新组合。

高于阈值电压随着LED上的偏置电压增加，电流和光输出呈指数增加，因为更多的电子通过结点释放。

LED根据量子力学定律运行，因此两者之间存在相关性阈值电压和光子的能量。该关系由下式描述：

eV0 = Eg = hf = hc/λ

Eg是能隙的大小，V0是阈值电压，f和λ是发射光子的频率和波长，c是光速，e是电荷，h是普朗克常数。

重要的是要注意到具有给定阈值电压的给定LED的每个发射光子的波长和频率不完全相同。波长和频率可以根据以主频率为中心的钟形曲线形状概率函数而变化。这种分布的原因是重组路径的长度可以随着路径的变化而变化，从而产生波长稍短的光子（图1和图2）。主波长和频率与平均重组路径长度相关。

图1：传导带和价带之间的重组路径长度可能不同。

图2：图1所示排列的典型输出频谱。

模拟调光的缺点

图3（a）和（b）显示了商用高亮度LED的正向电压与正向电流的详细信息，以及正向电流与相对发光之间的关系通量（光输出）。在此示例中，LED是OSRAM OSLON SSL LED，其额定值为104 lm/W.从图中可以看出，导通开始于2.87 V左右。制造商建议使用3.1 V的典型正向电压工作。

图3 （a）和（b）：OSLON SSL的正向电压与正向电流和正向电流与相对光通量的关系。 （由OSRAM提供。）

降低正向电压，例如使用与LED串联的可变电阻，使LED变暗。这种用于调光的模拟技术因其简单和低成本而受到欢迎。

不幸的是，存在很大的缺点。正向电压的变化改变了芯片中复合区的体积，因此改变了复合路径长度，改变了输出光谱的主频。事实证明，降低正向电压 - 使输出变暗 - 将主频移动到略短的波长。

图4显示了各种颜色LED的相对光谱发射曲线。这里最感兴趣的曲线是蓝色LED，以约470nm的波长为中心。这是因为几乎所有“白色”LED都使用蓝色设备和发出黄色光的荧光粉。蓝色和黄色的组合可以很好地逼近白色（参见TechZone文章“更白，更亮的LED”）。虚线曲线是眼睛的灵敏度函数。

图4：彩色和白色LED的相对光谱发射曲线。 （由OSRAM提供。）

图中的曲线绘制在一个特定的正向电流（20 mA）。但是图5说明了正向电流变化时蓝色LED的主频率会发生什么变化。

图5：主导频率的变化蓝色LED，正向电流增加。 （由欧司朗提供。）

主导频率相对较小的变化对消费者所感知的LED的亮度有什么影响？事实证明它实际上非常重要。

图6显示了白色LED的色度坐标如何随着国际照明委员会（CIE）1931色彩空间中正向电流的增加而变化。这是一个用于定义灯光颜色的标准化系统（请参阅TechZone文章“Lighting's Color Science”）。可以看出，在10到50 mA的范围内，颜色的变化相对较大 - 当然大到足以被消费者检测到。

图6：具有不同正向电流（25°C）的白光LED的色度坐标。 （由OSRAM提供。）

在某些情况下，在小范围内，模拟调光引起的颜色变化可能是可以接受的。然而，习惯于传统调光室内灯仍然是恒定颜色的消费者经常对此应用中暗淡LED光源的颜色变化感到失望。

与PWM的颜色一致性

更好的LED调光技术是保持正向电压（和正向电流）不变，但使用脉冲宽度调制（PWM）可以快速启动和关闭LED。通过改变脉冲序列的占空比，可以使光变暗，但由于“开”周期内的正向电压保持恒定，所以色度坐标没有偏移，颜色也是一致的。

占空比是脉冲持续时间（tP）与信号周期（T）的比率。高于200Hz的开关频率通常足够快以消除闪烁，使得眼睛看到恒定的照明，但是高于300Hz的频率可能引起问题，因为在打开和关闭LED的短暂间隔期间，色度坐标可以移位。图7显示了三个不同的脉冲序列，它们都以恒定的正向电流工作。顶部提供中等水平照明，中间较暗，底部较亮。

图7 ：PWM调光示例。 D3产生的光输出比D1更多，而D1则比D2更亮。 （由OSRAM提供。）

图8显示PWM解决方案在占空比和亮度之间提供了非常好的线性度。

图8：随着PWM占空比增加的相对照明。 （由OSRAM提供。）

如果用于为器件供电的LED驱动器具有启用或关闭功能，则实现PWM控制相对简单。例如，Maxim的MAX1916可以通过将EN引脚拉低来禁用器件，从而将LED的漏电流限制在1μA。将EN引脚拉高可将编程的正向电压施加到LED。通过向EN引脚施加PWM信号，LED的亮度与信号的占空比成正比。 4

具有调光功能的驱动器

PWM信号可以从微处理器的I/O引脚或其外围设备之一提供。 （可用的亮度步数取决于用于此目的的计数器寄存器的宽度。）

硅供应商通过允许从逻辑芯片直接连接，生成PWM信号到其LED驱动器，简化了PWM调光的实施。例如，美国国家半导体的LM3407是用于高功率LED的恒流输出开关转换器电源。该芯片适用于汽车，工业和普通照明应用。 LM3407具有调光输入，可通过PWM实现LED亮度控制。该公司还提供了一个方便的评估板，以便工程师可以试用这款驱动器LM3407EVAL-ND。

同样，凌力尔特提供LT3796。该LED驱动器是一种开关转换器，用于调节恒定电流或恒定电压。制造商声称固定频率和电流模式架构可在宽范围的电源和输出电压下稳定工作。该芯片具有PWM输入，允许LED调光比高达3000：1。

就其本身而言，Maxim提供了一种LED驱动器，可将PWM功能集成到单个芯片上。 MAX16834是一款电流模式高亮度LED驱动器。除驱动由开关转换器控制的n沟道功率MOSFET开关外，该器件还驱动n沟道PWM调光开关，以使LED变暗。 MAX16834具有恒定频率峰值电流模式控制和可编程斜率补偿，可控制PWM单元的占空比。图9显示了该芯片的应用电路。

图9：MAX16834 LED驱动器的PWM调光应用电路。

总结

随着LED进入主流照明应用，消费者希望操作模仿传统照明。制造商一直在努力确保设备的亮度和模仿白炽灯泡或荧光灯管的颜色。

由于芯片的独特电源需求，LED的调光更具挑战性。正向电流与正向电压成指数关系，因此需要小心控制以将电压保持在窄范围内。对于低调光比足够的廉价应用，通过降低正向电压进行模拟调光是可以接受的。然而，对于光线质量很重要的应用，例如室内照明，模拟调光不受消费者的欢迎，因为光的颜色会发生显着变化。

实施PWM控制 - 正向电压和正向电流保持恒定 - 允许宽调光比，而不改变光的颜色。通过利用具有内置PWM功能的最新一代LED驱动器，将这种数字调光实现为LED照明设计相对容易。