摘 要： 基于脈寬調制電路（PWM）原理，研究設計大電流" title="大電流">大電流小占空比" title="占空比">占空比驅動大功率LED直流脈沖電源，實驗測試比較了不同占空比脈沖方式下，點亮LED的實際消耗功率、瞬態光亮強度、溫升情況等，探索通過脈沖電源驅動提高LED發光效率" title="發光效率">發光效率的實現方案，并取得初步實驗結果。
關鍵詞： PWM；脈沖電流驅動；大功率LED；光效；電源效率
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人類照明史的發展進入21世紀后，傳統的白熾燈、熒光燈照明正逐漸被新型的高效、節能、環保、長壽命及高可靠性的半導體固體照明所取代[1]。LED(Light-Emitting Diode)被全球公認為新一代的環保型高科技新光源，更被譽為是愛迪生發明電燈后照明史上的又一次真正意義上的革命。LED擁有廣泛的應用前景,目前LED正進入液晶顯示器及液晶電視等大尺寸LCD面板背光源、車燈及通用照明應用的關鍵發展時期。尤其在LED路燈、庭院燈等方面已先行打開LED通用照明領域的市場[2]。
但是在對大功率LED燈具的測試中發現（數據見表1），LED燈具整體節能情況并不理想，主要原因有兩個：①LED芯片本身隨著導通電流的加大，發光效率（目前電光轉化比為10％～20％，理論值300Lm/W）急劇下降，電熱轉化比不斷升高[3]。從芯片耐溫應小于125℃（開始急劇光衰）[3]及結溫計算（計算公式見參考文獻[3]）中可以看出：物理結構一定后，LED芯片溫度隨輸入功率的增大而升高。②恒流驅動電源(AC-DC)一般的轉化效率只有50％多一點，好的可達到80％；DC-DC的轉化相對高一些。表1是利用直徑1m、0.3m詩貝倫涂層積分球及PMS-50紫外－可見－近紅外光譜分析系統測量的一些實際數據。
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1 脈沖電流驅動大功率LED電源電路設計
本文擬研究設計大電流窄脈沖直流驅動電源，通過設置脈寬寬度調節PWM[4]（Pulse Wideth Modulate）基準電流或電壓幾倍于常規工作值的間隔通斷方式，獲得LED更高的瞬態光強度，縮短單位時間內的通電時間以實現LED芯片無功率散熱；探索提高LED發光效率在電源驅動方向上的實現方案。
利用LED的瞬態響應特性（頻繁開關響應時間為納秒級)及人眼的感光滯后效應(如>70Hz，不會覺察閃爍)[3]，設計頻率為70Hz、占空比為35％、電流脈沖峰值為3A、平均電流為1A的脈沖電路；設置光敏傳感器、溫度傳感器并經轉化電路調節控制PWM基準電壓的設定，從而實現占空比主動微調，平均電流變化，進而達到自動調節光強的目的。為實現上述要求，實驗原理電路結構設計如圖1。
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2 脈沖驅動電路實驗
為了觀察不同占空比開關點亮LED時，LED的光電參數變化，設計圖2所示的實驗電路。采用信號發生器產生70Hz、不同占空比（10％～95％）、峰值為5V的脈沖信號，控制功率開關管通斷，LED(采用小功率綠管)由WY精密數顯直流穩流穩壓電源提供穩壓直流供電，利用感光二極管（固定受光面與LED發光面的距離）通過測量串聯在感光二極管電路中的電阻分壓測定LED的瞬態光強；由于電流表及電壓表測量值為線性平均值不能準確測得70Hz下脈沖峰值電流，頻率對電路中瞬態峰值電流不會造成太大影響（波動在5%以內），所以采集低頻（0.2Hz）下精密電源的電流值及電壓值。由于是脈沖間斷接通電路點亮LED，單位時間內電路只有高脈寬時間段導通，所以采用電壓、電流再和占空比加權可得實際電功率為：
?P=U×I×Q (1)
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其中，P為消耗功率，U為加載" title="加載">加載電壓，I為加載電流，Q為占空比。
采用精確到0.1℃數字溫度計，其熱電偶緊貼LED管腳固定，在狀態平衡5分鐘后記錄溫度值；采用采樣頻率2.5Hz、精度0.1Lux的照度計。同樣由于照度計測量時取采樣周期內平均值，為了準確獲得一個脈沖周期內點亮LED的最大照度，應測量低頻（0.2Hz）下的照度值（所有器件均放入積分球內封閉測量）。
3 實驗結果與討論
圖3、圖5、圖6分別顯示了在占空比為11%、36%、65%、90%" title="90%">90%下，照度與計算功率的關系，溫度隨照度的變化關系及照度和光電流（光電二極管中的感光電流）的關系。采用二次曲線擬合，可以發現等功率下小占空比的照度值更高，溫度值降低，不同占空比下照度與光電流變化趨于直線。
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3.1 不同占空比下功率與照度的關系
圖3是不同占空比下功率與照度的實驗測量結果。自上而下四條曲線分別是占空比為11%、36%、65%、90%時功率（橫坐標）與照度（縱坐標）的對應關系。由圖可見，隨著LED所加載功率的增加，其光強同時提高，并隨著功率的進一步增加，逐漸趨于飽和。這與恒流驅動下LED光強衰減曲線特性相吻合，見參考文獻[3]。通常的解釋是：LED器件在小電流下溫度效應不明顯，光強隨電流增加而線性增加；在大電流情況下，由于明顯的熱效應，致使LED發光效率降低，光強逐漸趨于飽和。比較圖3的實驗結果，在10mW功率以下，不同占空比下照度隨功率的增加有較好的線性關系；隨著功率的進一步增加，不同占空比下的照度趨于逐漸飽和，但是出現了明顯的差別。大占空比下的照度變化比小占空比下的照度變化更早趨于飽和。為進一步說明這一實驗現象，提取圖6的相關實驗數據，分析其照度與不同占空比的關系，如圖4所示。
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圖4是LED所加載功率自下而上分別為10mW、15mW、20mW、27mW時，照度與占空比的關系。在所有情況下，照度隨占空比的增加而減少，照度與占空比成反比變化趨勢。而隨加載功率的增加，這一現象更為明顯。比較10mW和27mW兩條曲線的斜率，其變化率接近3倍。顯然，小占空比對于保持LED發光狀況有正面的作用，在大功率情況下，這一作用將更為明顯。說明小占空比脈沖驅動在大功率LED上應用具有實際意義。小占空比下可以為LED加載更大的電流并得到更大的照度，利于在驅動電源方案上實現大功率LED獲得更高光亮度。
3.2 不同占空比下溫度與照度的關系
為了觀測不同占空比下照度與LED器件溫度的變化關系，本文采用精確到0.1℃的數字溫度計，其熱電偶緊貼LED管腳固定，在狀態平衡5分鐘后記錄溫度值。圖5是不同占空比下LED溫度與照度的變化關系實驗測量結果，自上而下四條曲線分別是占空比為90%、65%、36%、11%時，照度（橫坐標）與器件溫度（縱坐標）的對應關系。圖中可見隨著發光照度的增加，LED器件溫度成上升趨勢，這與直流驅動下LED溫度效應曲線變化相一致，見參考文獻[3]。但是相同功率下，小占空比驅動的LED溫升幅度較小，隨著功率的加大，變化趨勢更為顯著。如照度為100lux時，90%占空比溫升是11%下的約1.5倍，這與圖4中論證的LED熱效應相吻合。另外，同樣看到低于10mW（40lux）功率范圍內，變化曲線趨于一致，溫升幅度變化區別不大，同樣也印證了前面3.1節中功率與照度趨勢線分析，小占空比脈沖驅動有助于改善大功率LED發光狀況，其原因是小占空比對LED熱效應有較明顯的影響。同樣說明小占空比下可以為LED加載更大的電流而得到更大的照度，利于在驅動電源上實現大功率LED獲得更高光亮度的實現方案。
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3.3 不同占空比下光電流與照度關系比較
為了更為直接地評估LED脈沖下的光強變化，實驗設計利用感光二級管(固定受光面和LED發光面的距離)通過測量串聯在感光二級管電路中的電阻分壓測定LED的瞬態光強。圖6為實驗測量的光電流與照度間對應關系數據。曲線顯示不同占空比下光電流與照度的變化趨于一致，這組實驗驗證了用光電流的測量來代替照度計測量照度光強的可行性。為進一步實驗測量70Hz下LED照度提供了條件。
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通過大電流窄脈沖驅動小功率LED的實驗驗證，其發光指標得到有效改善，溫升幅度降低，光電流與照度成直線關系(偏差10%以內)，為進一步實現大電流窄脈沖驅動大功率LED方案提供了必要準備；對其光通量的測量、光譜的測量，脈沖峰值電流、電壓的測量（70Hz）等進行了有意義的探索。后續的工作需要進一步探討脈沖點亮LED的光效評估方法及脈沖方式對人眼視覺感光習慣的影響。
參考文獻
[1] 程江華，謝劍斌，丁文霞，等.白光LED電源驅動電路的設計與實現.電子技術，2005，（8）：51-52.
[2] 國家半島體照明產業聯盟.中國半導體照明產業發展年鑒（2006）.科學出版社，2006.
[3] 周志敏，周紀海，紀愛華，等.LED驅動電路設計與應用.北京：人民郵電出版社，2006，5-30，82-90.
[4] 沈慧.大功率照明LED恒流驅動芯片的設計[D].杭州：浙江大學，2006，38-52.