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细长台式发光二极管的电特性高度离散，细长台式发光二极管是同态电光源和半导体照明器件。它具有体积小、机械强度高、功耗低、使用寿命长、易于调节和控制、无污染的特点。是一种极具发展前景的新型光源产品。然而，由于细长台式发光二极管陡峭的正向伏安特性，很难为其供电。白色LED工作电压的微小波动会导致工作电流的急剧变化，甚至可能烧坏LED。为了保持发光二极管的工作电流稳定，保证发光二极管能够正常可靠地工作，驱动电路的设计非常重要。这里设计了一种基于PWM的可调光LED驱动电路，可以提供LED所需的电压和电流，具有色温高、经济实用、使用寿命长的特点。

1细长台式发光二极管的电气特性

1.1发光二极管发光强度与电流的关系

在极限工作电流范围内，发光二极管器件的发光强度随着正向电流的增加而增加，但不同半导体材料制成的发光二极管器件的发光强度与正向电流的关系不同。一般来说，发光强度Ir随着正向电流If的增加而增加。

Ir和If之间的关系曲线描述了应该使用多少电流来驱动发光二极管以达到所需的发光强度。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二极管为例。当正向电流约为40 mA时，红色LED的发光强度几乎不变。也就是说，只要控制红色LED阵列的正向电流达到一定值，其发光强度就趋于饱和。

1.2温度对细长台式发光二极管正向电流的影响

细长台式LED的正向电流也随着温度的变化而变化。图2是常用的细长台式发光二极管的允许正向电流随温度变化的曲线。

2发光二极管的脉宽调制驱动模式

2.1脉宽调制信号的原理和形成

PWM调光是基于人眼对亮度闪烁不够敏感的特性，使得负载LED开、关。如果明暗频率超过100 Hz，人眼看到的是平均亮度，而不是LED的闪烁。脉宽调制调光通过调节亮度与暗度的时间比来调节亮度。在这种方法中，调光可以通过在引脚上增加占空比可调、频率固定的数字信号来实现，用于调节亮暗时间比，但调光范围取决于软启动的速度或器件内部电路的正常工作，因此范围不是很宽。

PWM的原理是一个固定的DC电压通过开关K，开关K以一定的频率开关，从而控制和改变LED上的电压。将发光二极管打开时的最大电流设置为Imax。开关周期为t，每次闭合时间为t，那么当占空比为d=t/t时，LED的平均电流为：

从等式(1)可以看出，当t恒定时(即开关的开关频率相同)，可以通过改变导通时间t来改变发光二极管两端的平均电流，从而改变发光二极管的亮度。

脉宽调制信号形成电路有三种：1)可由电压-脉宽转换器产生，即硬件产生脉宽调制信号；2)由软件定时产生，定时器定时，定时时间由软件控制，脉宽可调信号从脉宽信号的输出端口P1.0或其他端口输出；3) MCU控制外部定时器/计数器(如8253)硬件电路产生脉宽调制信号。只有两个计数器分别工作在模式1和模式2，通过硬件连接可以产生脉宽调制信号。其中，第一个是硬件电路的实现，比较复杂。第二个使用定时器TO，但由于系统计数器不足，必须扩展。第三种方法是使用8253，非常方便，占用软件时间少。

Atmega 16单片机具有4通道PWM，有快速PWM模式、相位校正PWM模式等多种工作模式。考虑到成本和整个系统的简化，本设计直接使用Atmega 16单片机来实现

LED的发光强度与通过LED器件的电流基本成正比，说明脉冲电流的平均电流与DC电流相同，LED的发光亮度也相同。此外，LED由高幅脉冲电流驱动，然后通过调整脉冲的占空比获得合适的平均电流，可以降低功耗。因为当LED工作在脉冲状态时，人眼感知到的LED亮度值在峰值亮度和平均亮度值之间。因此，脉冲电流驱动的LED比直流恒流驱动的LED更亮，即获得相同的发光亮度，脉冲电流驱动方式所需的平均电流值小于直流驱动方式。

其次，如果LED由脉冲电路驱动，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大大提高。此外，可以去掉限流电阻或降低其值。所以从节能的角度来说，还是用脉冲电源驱动比较好。

脉冲驱动方式是利用人眼的视觉惯性，反复开关LED器件使其点亮。然而，采用这种驱动方式时，通常需要考虑脉冲电流幅值的确定和重复频率的选择。为了获得与DC驱动相当的发光强度，脉冲驱动电流的平均值Ia应该与DC驱动电流的平均值相同。如图3所示，平均电流是瞬时电流I的时间积分。

对于矩形波，有

其中，Ic为DC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为占空比。

。

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 拉长的板凳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。一个拉长的板凳LED需要3．3 V直流电压，本设计为3个拉长的板凳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 拉长的板凳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。