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LED的模擬和數(shù)字調(diào)光技術(shù)改善光質(zhì)量

電子設(shè)計(jì) ? 來(lái)源:郭婷 ? 作者:電子設(shè)計(jì) ? 2019-03-07 09:52 ? 次閱讀

LED為主流照明提供了許多優(yōu)勢(shì)。長(zhǎng)壽,高效率和穩(wěn)健性等因素對(duì)消費(fèi)者具有吸引力,特別是隨著技術(shù)價(jià)格的不斷下降。

然而,存在一些缺點(diǎn)。其中最主要的是LED并不是傳統(tǒng)光源(如白熾燈泡或熒光燈管)的“替代”替代品。 LED需要特殊的驅(qū)動(dòng)器以滿足其變幻無(wú)常的功率需求。此外,消費(fèi)者過(guò)去通過(guò)簡(jiǎn)單地調(diào)低電源電壓來(lái)調(diào)整傳統(tǒng)燈的亮度,發(fā)現(xiàn)同樣的方法對(duì)于固態(tài)燈來(lái)說(shuō)效果不佳。

本文考慮了為什么電壓的變化會(huì)影響光輸出和發(fā)出的顏色通過(guò)LED。然后,文章在結(jié)束之前描述了模擬和數(shù)字調(diào)光技術(shù),這對(duì)于減輕由電流調(diào)節(jié)引起的對(duì)光質(zhì)量的最壞影響是最佳的。

主導(dǎo)頻移

LED僅在發(fā)光時(shí)發(fā)光外部施加電壓用于將LED正向偏置到最小閾值以上。高于該閾值電壓(V0),電勢(shì)能足以將電子推出n型材料,穿過(guò)結(jié)勢(shì)壘(或能隙),并進(jìn)入p型區(qū)域。在p型區(qū)域,當(dāng)電子以光子的形式放棄能量時(shí),電子很可能與空位或“空穴”重新組合。

高于閾值電壓隨著LED上的偏置電壓增加,電流和光輸出呈指數(shù)增加,因?yàn)楦嗟碾娮油ㄟ^(guò)結(jié)點(diǎn)釋放。

LED根據(jù)量子力學(xué)定律運(yùn)行,因此兩者之間存在相關(guān)性閾值電壓和光子的能量。該關(guān)系由下式描述:

eV0 = Eg = hf = hc/λ

Eg是能隙的大小,V0是閾值電壓,f和λ是發(fā)射光子的頻率和波長(zhǎng),c是光速,e是電荷,h是普朗克常數(shù)。

重要的是要注意到具有給定閾值電壓的給定LED的每個(gè)發(fā)射光子的波長(zhǎng)和頻率不完全相同。波長(zhǎng)和頻率可以根據(jù)以主頻率為中心的鐘形曲線形狀概率函數(shù)而變化。這種分布的原因是重組路徑的長(zhǎng)度可以隨著路徑的變化而變化,從而產(chǎn)生波長(zhǎng)稍短的光子(圖1和圖2)。主波長(zhǎng)和頻率與平均重組路徑長(zhǎng)度相關(guān)。

LED的模擬和數(shù)字調(diào)光技術(shù)改善光質(zhì)量

圖1:傳導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的重組路徑長(zhǎng)度可能不同。

LED的模擬和數(shù)字調(diào)光技術(shù)改善光質(zhì)量

圖2:圖1所示排列的典型輸出頻譜。

模擬調(diào)光的缺點(diǎn)

圖3(a)和(b)顯示了商用高亮度LED的正向電壓與正向電流的詳細(xì)信息,以及正向電流與相對(duì)發(fā)光之間的關(guān)系通量(光輸出)。在此示例中,LED是OSRAM OSLON SSL LED,其額定值為104 lm/W.從圖中可以看出,導(dǎo)通開始于2.87 V左右。制造商建議使用3.1 V的典型正向電壓工作。

LED的模擬和數(shù)字調(diào)光技術(shù)改善光質(zhì)量

圖3 (a)和(b):OSLON SSL的正向電壓與正向電流和正向電流與相對(duì)光通量的關(guān)系。 (由OSRAM提供。)

降低正向電壓,例如使用與LED串聯(lián)的可變電阻,使LED變暗。這種用于調(diào)光的模擬技術(shù)因其簡(jiǎn)單和低成本而受到歡迎。

不幸的是,存在很大的缺點(diǎn)。正向電壓的變化改變了芯片中復(fù)合區(qū)的體積,因此改變了復(fù)合路徑長(zhǎng)度,改變了輸出光譜的主頻。事實(shí)證明,降低正向電壓 - 使輸出變暗 - 將主頻移動(dòng)到略短的波長(zhǎng)。

圖4顯示了各種顏色LED的相對(duì)光譜發(fā)射曲線。這里最感興趣的曲線是藍(lán)色LED,以約470nm的波長(zhǎng)為中心。這是因?yàn)閹缀跛小鞍咨盠ED都使用藍(lán)色設(shè)備和發(fā)出黃色光的熒光粉。藍(lán)色和黃色的組合可以很好地逼近白色(參見(jiàn)TechZone文章“更白,更亮的LED”)。虛線曲線是眼睛的靈敏度函數(shù)。

LED的模擬和數(shù)字調(diào)光技術(shù)改善光質(zhì)量

圖4:彩色和白色LED的相對(duì)光譜發(fā)射曲線。 (由OSRAM提供。)

圖中的曲線繪制在一個(gè)特定的正向電流(20 mA)。但是圖5說(shuō)明了正向電流變化時(shí)藍(lán)色LED的主頻率會(huì)發(fā)生什么變化。

LED的模擬和數(shù)字調(diào)光技術(shù)改善光質(zhì)量

圖5:主導(dǎo)頻率的變化藍(lán)色LED,正向電流增加。 (由歐司朗提供。)

主導(dǎo)頻率相對(duì)較小的變化對(duì)消費(fèi)者所感知的LED的亮度有什么影響?事實(shí)證明它實(shí)際上非常重要。

圖6顯示了白色LED的色度坐標(biāo)如何隨著國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)1931色彩空間中正向電流的增加而變化。這是一個(gè)用于定義燈光顏色的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)(請(qǐng)參閱TechZone文章“Lighting's Color Science”)。可以看出,在10到50 mA的范圍內(nèi),顏色的變化相對(duì)較大 - 當(dāng)然大到足以被消費(fèi)者檢測(cè)到。

LED的模擬和數(shù)字調(diào)光技術(shù)改善光質(zhì)量

圖6:具有不同正向電流(25°C)的白光LED的色度坐標(biāo)。 (由OSRAM提供。)

在某些情況下,在小范圍內(nèi),模擬調(diào)光引起的顏色變化可能是可以接受的。然而,習(xí)慣于傳統(tǒng)調(diào)光室內(nèi)燈仍然是恒定顏色的消費(fèi)者經(jīng)常對(duì)此應(yīng)用中暗淡LED光源的顏色變化感到失望。

與PWM的顏色一致性

更好的LED調(diào)光技術(shù)是保持正向電壓(和正向電流)不變,但使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)可以快速啟動(dòng)和關(guān)閉LED。通過(guò)改變脈沖序列的占空比,可以使光變暗,但由于“開”周期內(nèi)的正向電壓保持恒定,所以色度坐標(biāo)沒(méi)有偏移,顏色也是一致的。

占空比是脈沖持續(xù)時(shí)間(tP)與信號(hào)周期(T)的比率。高于200Hz的開關(guān)頻率通常足夠快以消除閃爍,使得眼睛看到恒定的照明,但是高于300Hz的頻率可能引起問(wèn)題,因?yàn)樵诖蜷_和關(guān)閉LED的短暫間隔期間,色度坐標(biāo)可以移位。圖7顯示了三個(gè)不同的脈沖序列,它們都以恒定的正向電流工作。頂部提供中等水平照明,中間較暗,底部較亮。

LED的模擬和數(shù)字調(diào)光技術(shù)改善光質(zhì)量

圖7 :PWM調(diào)光示例。 D3產(chǎn)生的光輸出比D1更多,而D1則比D2更亮。 (由OSRAM提供。)

圖8顯示PWM解決方案在占空比和亮度之間提供了非常好的線性度。

LED的模擬和數(shù)字調(diào)光技術(shù)改善光質(zhì)量

圖8:隨著PWM占空比增加的相對(duì)照明。 (由OSRAM提供。)

如果用于為器件供電LED驅(qū)動(dòng)器具有啟用或關(guān)閉功能,則實(shí)現(xiàn)PWM控制相對(duì)簡(jiǎn)單。例如,Maxim的MAX1916可以通過(guò)將EN引腳拉低來(lái)禁用器件,從而將LED的漏電流限制在1μA。將EN引腳拉高可將編程的正向電壓施加到LED。通過(guò)向EN引腳施加PWM信號(hào),LED的亮度與信號(hào)的占空比成正比。 4

具有調(diào)光功能的驅(qū)動(dòng)器

PWM信號(hào)可以從微處理器的I/O引腳或其外圍設(shè)備之一提供。 (可用的亮度步數(shù)取決于用于此目的的計(jì)數(shù)器寄存器的寬度。)

硅供應(yīng)商通過(guò)允許從邏輯芯片直接連接,生成PWM信號(hào)到其LED驅(qū)動(dòng)器,簡(jiǎn)化了PWM調(diào)光的實(shí)施。例如,美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM3407是用于高功率LED的恒流輸出開關(guān)轉(zhuǎn)換器電源。該芯片適用于汽車,工業(yè)和普通照明應(yīng)用。 LM3407具有調(diào)光輸入,可通過(guò)PWM實(shí)現(xiàn)LED亮度控制。該公司還提供了一個(gè)方便的評(píng)估板,以便工程師可以試用這款驅(qū)動(dòng)器LM3407EVAL-ND。

同樣,凌力爾特提供LT3796。該LED驅(qū)動(dòng)器是一種開關(guān)轉(zhuǎn)換器,用于調(diào)節(jié)恒定電流或恒定電壓。制造商聲稱固定頻率和電流模式架構(gòu)可在寬范圍的電源和輸出電壓下穩(wěn)定工作。該芯片具有PWM輸入,允許LED調(diào)光比高達(dá)3000:1。

就其本身而言,Maxim提供了一種LED驅(qū)動(dòng)器,可將PWM功能集成到單個(gè)芯片上。 MAX16834是一款電流模式高亮度LED驅(qū)動(dòng)器。除驅(qū)動(dòng)由開關(guān)轉(zhuǎn)換器控制的n溝道功率MOSFET開關(guān)外,該器件還驅(qū)動(dòng)n溝道PWM調(diào)光開關(guān),以使LED變暗。 MAX16834具有恒定頻率峰值電流模式控制和可編程斜率補(bǔ)償,可控制PWM單元的占空比。圖9顯示了該芯片的應(yīng)用電路。

LED的模擬和數(shù)字調(diào)光技術(shù)改善光質(zhì)量

圖9:MAX16834 LED驅(qū)動(dòng)器的PWM調(diào)光應(yīng)用電路。

總結(jié)

隨著LED進(jìn)入主流照明應(yīng)用,消費(fèi)者希望操作模仿傳統(tǒng)照明。制造商一直在努力確保設(shè)備的亮度和模仿白熾燈泡或熒光燈管的顏色。

由于芯片的獨(dú)特電源需求,LED的調(diào)光更具挑戰(zhàn)性。正向電流與正向電壓成指數(shù)關(guān)系,因此需要小心控制以將電壓保持在窄范圍內(nèi)。對(duì)于低調(diào)光比足夠的廉價(jià)應(yīng)用,通過(guò)降低正向電壓進(jìn)行模擬調(diào)光是可以接受的。然而,對(duì)于光線質(zhì)量很重要的應(yīng)用,例如室內(nèi)照明,模擬調(diào)光不受消費(fèi)者的歡迎,因?yàn)楣獾念伾珪?huì)發(fā)生顯著變化。

實(shí)施PWM控制 - 正向電壓和正向電流保持恒定 - 允許寬調(diào)光比,而不改變光的顏色。通過(guò)利用具有內(nèi)置PWM功能的最新一代LED驅(qū)動(dòng)器,將這種數(shù)字調(diào)光實(shí)現(xiàn)為L(zhǎng)ED照明設(shè)計(jì)相對(duì)容易。

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