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PWM调光方案:如何实现PWM调光(原理、方法、优缺点及注意事项)

 PWM调光方案以其高效、简单、精度高,效果好等优点受到LED从业者和客户的喜欢,是目前使用比较多的LED调光方案之一,据调光方案公司-深圳喆华电子今年的用户开发的调光方案看,PWM调光方案占着相当高的比例,也是未来LED调光发展方向之一。今天我们就来看看是如何实现调光的?原理、方法、优缺点及注意事项是什么?

     PWM调光方案以其高效、简单、精度高,效果好等优点受到LED从业者和客户的喜欢,是目前使用比较多的LED调光方案之一,据调光方案公司-深圳喆华电子今年的用户开发的调光方案看,PWM调光方案占着相当高的比例,也是未来LED调光发展方向之一。今天我们就来看看是如何实现调光的?原理、方法、优缺点及注意事项是什么?

PWM调光方案

  PWM是什么?

  脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换及LED照明等许多领域中。通过以数字方式控制模拟电路,可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外,许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器,这使数字控制的实现变得更加容易了。

  PWM,全称Pulse Width Modulation,翻译过来就是脉冲宽度调制,说到底,就是种把模拟信号调制成脉波的技术。它已经是应用非常广泛的显示器/光源的亮度控制方案,此外,还有我们之后会提到的DC直流调光(LED领域的CCR恒流调光,为方便表示,本系列科普统一用DC调光代称)。

  简而言之,PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用,方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的,因为在给定的任何时刻,满幅值的直流供电要么完全有,要么完全无。电压或电流源是以一种通或断的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候,断的时候即是供电被断开的时候。

  只要带宽足够,任何模拟值都可以使用PWM进行编码上图显示了三种不同的PWM信号。

  pwm调光,如何实现PWM调光

  LED调光目前有两种思路:一是线性调节LED电流(即模拟调光),二是使用开关电路以相对于人眼识别力来说足够高的频率工作来改变光输出的平均值(数字调光)。(PWM)是属于数字调光的方法。

  模拟调光通常可以很简单的来实现。但是由于LED光的特性要随着平均驱动电流而偏移。对于单色LED来说,其主波长会改变。对白光LED来说,其相关颜色温度(CCT)会改变。用PWM调光则保证了LED发出设计者需要的颜色。PWM调光也可以提高输出电流精度。用线性调节的模拟调光会降低输出电流的精度。通常来说,相对于模拟调光,PWM调光可以精度大于线性控制光输出。

  从节能来说,没有可比性。因为PWM是保证CCT和颜色情况下测定电流(光强),模拟调光则是不存在这个前提。如果要牺牲这个前提来考虑节能的话,需要实测数据。但我估计在实现同等照度的情况下,PWM会有优势。

  PWM调光方法在LED亮度调节中的应用

  LED 是一种固态电光源, 是一种半导体照明器件,其电学特性具有很强的离散性。它具有体积小、机械强度大、功耗低、寿命长, 便于调节控制及无污染等特征,有极大发展前景的新型光源产品。LED 调光方法的实现分为两种: 模拟调光和数字调光, 其中模拟调光是通过改变LED 回路中电流大小达到调光; 数字调光又称PWM 调光, 通过PWM 波开启和关闭LED 来改变正向电流的导通时间以达到亮度调节的效果。模拟调光通过改变LED 回路中的电流来调节LED 的亮度, 缺点是在可调节的电流范围内, 可调档位受到限制;PWM 波调光可通过改变高低电平的占空比来任意改变LED 的开启时间, 从而使亮度调节的档位增多。本文拟用两种方法共同作用, 以达到调节LED 亮度的效果。

  LED 调光方法

  模拟调光是通过改变LED 回路中电流大小达到调光, 电源电压不变, 通过改变R 的电阻值来改变回路中的电流, 从而达到改变LED 亮度的效果。很多其他模拟调光都是采用这种方法的延伸, 其优点是电流可连续, 但可调节电流的范围往往受到硬件的限制, 调节档位不多, 对于要求亮度感应敏感的高精度采光设备, 这种方法不理想。

  数字调光又称PWM 调光, 通过PWM 波开启和关闭LED 来改变正向电流的导通时间, 以达到亮度调节的效果。该方法基于人眼对亮度闪烁不够敏感的特性,使负载LED 时亮时暗。如果亮暗的频率超过100 Hz , 人眼看到的就是平均亮度, 而不是LED 在闪烁。PWM 通过调节亮和暗的时间比例实现调节亮度, 在一个PWM 周期内, 因为人眼对大于100 Hz 内的光闪烁, 感知的亮度是一个累积过程, 即亮的时间在整个周期中所占得比例越大, 人眼感觉越亮。但是对于一些高频采样的设备, 如高频采样摄像头, 采样时有可能恰好采到LED 暗时的图像。因此本文将模拟和数字相结合, 设计了LED 的驱动电路。

  要保证PWM 周期小于电感的τ 时间, 因为若PWM 的周期大于τ, 则极有可能出现在PWM 的占空比变化的情况下, 电路中电流都能达到电感的饱和直流电流, 影响了对LED 电流调节。当C8051330 的时钟频率是25 MHz ,PWM 的周期的选择对电流改变档位的影响很大。若周期越大, 则PWM 占空比的档位越多, 反之越少。拟用256 个档位的占空比, 因此PWM 波的频率应选择在100kHz 以下,即周期在10 μs 以上,直流电感为10Ω, 此时电感值应选择大于0。1 mH。图2 分别是PWM 频率为100kHz , 占空比为90%, 电感为0。1 mH、1 mH 和40 mH 时电路电流值的模拟结果。

  不论从模拟还是实验角度来看, 在PWM 调光驱动电路中加入电感, 可成功将电路中大范围变化的电流“ 平均” , 使其稳定在一个可通过理论计算得出的值附近。本文综合了模拟调光和数字调光的共同优点, 且可以利用RS-485 , 通过PWM 波与驱动电路中LED 上电流的函数关系, 改变PWM 波的占空比, 即可让LED 有着理想的电流值, 并用计算机实时、细致地改变LED 的亮度。

  1、PWM是脉冲宽度调制信号,注意其中的“宽度”,就是脉冲的高电平的时间。PWM信号调节LED亮度时,信号频率是不变的,改变的是脉冲的高电平的时间,即LED的导通时间。这种信号调节亮度相当于调节LED的平均电流,所以电流会变化。

  2、从LED的V-I特性可知,其曲线是非线性的,0。1V的电压可造成100~200mA的If的变化,不易控制;另外,LED具有负温度系数特性,所以,一般将LED说成是电流控制型器件。至于你将LED串接在电源模块上,当输出电压恒定时,是恒压源驱动LED吧,这样调节LED亮度时,需要对输出电压进行分压,以降低LED的压降才能改变其亮度,恒压源的电流是有一个最大输出值的,不能调节的,不知你用什么方法调节其输出电流的?

  3、用MCU比较方便,成本是稍高,也可以用模拟电子线路产生相应的PWM信号。

  4、现在用得多的有CV/CC开关电源、还有部分非隔离的驱动电路。。。我自己就是做这个电路设计的哦!

  PWM调光是目前比较主流的一种应用在LED调光产品中的一种调光技术。在模拟信号的电路中,以数字方式输出控制灯具的亮度变化。这种调光方式相比较于传统的模拟信号调光有很多的优势,当然在某些方面也存在着一定的缺陷,具体有哪些优缺点呢?

  我们先看pwm调光的基本原理,其实在产品的实际应用中,可以理解为在LED的负载中串入一个MOS开关管,这串LED的阳极用一个恒流源供电。然后用一个PWM信号加到MOS管的栅极,以快速地开关这串LED从而实现调光。

  pwm调光的优点非常明显,有以下几点:

  第一, pwm调光,调光精准。

  调光精准是数字信号调光共通的一个显著的特点,因为pwm调光利用的是脉冲波形信号,精度高。

  第二, pwm调光,没有色偏。

  在整个调光范围内,由于LED电流要么处于最大值,要么被关断,通过调节脉冲占空比来改变LED的平均电流,所以该方案能避免在电流变化过程中出现色偏。

  第三, pwm调光,可调范围大。

  PWM调光频率一般为200Hz(低频调光)一20kHz以上(高频调光)。

  第四, pwm调光,没有频闪。

  只要PWM调光频率高于100 Hz,就观察不到LED的闪烁现象。不会改变恒流源的工作条件(升压比或降压比),也不可能发生过热问题。但是,PWM脉宽调光也有要注意的问题。首先是脉冲频率的选择:因为LED是处于快速开关状态,假如工作频率很低,人眼就会感到闪烁。为了充分利用人眼的视觉残留现象,它的工作频率应当高于100Hz,最好为200Hz。

  pwm调光的缺点是什么呢?

  调光引起的噪声是一个,虽然200Hz以上人眼无法察觉,可是一直到20kHz却都是人耳听觉的范围。这时候就有可能会听到丝丝的声音。解决这个问题有两种方法,一是把开关频率提高到20kHz以上,跳出人耳听觉的范围。但是频率过高也会引起一些问题,因为各种寄生参数的影响,会使脉冲波形(前后沿)产生畸变。这就降低了调光的精确度。另一种方法是找出发声的器件而加以处理。实际上,主要的发声器件是输出端的陶瓷电容,因为陶瓷电容通常都是由高介电常数的陶瓷所做成,这类陶瓷都具有压电特性。在200Hz的脉冲作用下就会产生机械振动而发声。解决的方法是采用钽电容来代替。不过,高耐压的钽电容很难得到,而且价钱很贵,会增加一些成本。

  脉宽调光要注意的问题

  1、脉冲频率的选择因为LED是处于快速开关状态,假如工作频率很低,人眼就会感到闪烁。为了充分利用人眼的视觉残留现象,它的工作频率应当高于100Hz,最好为200HZ。

  2、消除调光弓起的啸声; 虽然200HZ以上人眼无法察觉,可是一直到20kHz却都是人耳听觉的范围。这时候就有可能会听到丝丝的声音。解决这个问题有两种方去,一是把开关频率提高到20kHz以上,跳出人耳听觉的范围。但是频率过高也会弓起一些问题,因为各种寄生参数的影响,会使脉冲波形(前后沿)产生畸变。

  这就降低了调光的精确度。另一种方去是找出发声的器件而加以处理。实际上,主要的发声器件是输出端的陶瓷电容,因为陶瓷电容通常都是由高介电常数的陶瓷所做成,这类陶瓷都具有压电特性。在200HZ的脉冲作用下就会产生机械振动而发声。解决的方提采用钽电容来代替。对,高耐压的钽电容很难得到,而且价钱很贵,会增加一些成本。

  总之,pwm调光优势就是:应用简单、效率高、精度高,调光效果好。缺点是由于一般LED驱动器都基于开关电源原理,如果PWM调光的频率为200~20kHz之间时,LED调光电源周围的电感和输出电容容易产生人耳听得见的噪声。此外,在进行PWM调光时,调节信号的频率与LED驱动芯片对栅极控制信号的频率越接近,线性效果就越差。

  喆华电子是深圳有名的LED调光方案之一,在中山古镇有分公司,在业务广受好评,是深圳高新企业,在调光方案中有着丰富的经验,有一群有经验的软硬件人才。可以为您定制合适的调光方案。联系电话:0755-29466981 欢迎来电咨询写交流。

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