数字调光技术：实现LED亮度调节的PWM调光

数字调光又称为PWM（脉冲宽度调制）调光，是一种利用简单的数字脉冲，反复开关白光LED驱动器的调光技术。通过PWM信号开启和关闭LED来改变正向电流的导通时间，以达到亮度调节的效果。LED可以实现快速开关。它的开关速度可以高达微秒以上，是任何发光器件所无法比拟的。因此，只要把电源做成开关恒流源，用改变脉冲宽度的方法，就可以改变其亮度。图5-5所示这种脉宽调制的波形。假如脉冲的周期为tPWM，脉冲宽度为tON，那么其占空比D就是tON/tPWM。改变恒流源脉冲的占空比就可以改变LED的亮度。

图5-5　脉冲宽度调制改变LED的亮度

具体实现PWM调光的方法就是在LED的负载中串入一个MOS开关管（图5-6），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。也有不少恒流芯片本身就带一个PWM的接口，可以直接接受PWM信号，再输出控制MOS开关管。

图5-6　用PWM信号快速通断LED灯串

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100Hz，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100Hz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的比例越大，人眼感觉越亮。当然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。

PWM调光应用者的系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲，即可简单地实现改变输出电流，从而调节白光LED的亮度。PWM调光的优点在于能够提供高质量的白光，以及应用简单，效率高！那么这种PWM调光方法有哪些优点呢？

①不会产生任何色谱偏移。因为LED始终工作在满幅度电流和0之间。

②可以有极高的调光精确度。因为脉冲波形完全可以控制到很高的精度，所以很容易实现万分之一的精度。

③可以和数字控制技术相结合来进行控制。因为任何数字信号都可以很容易变换成为一个PWM信号。

④即使在很大范围内调光，也不会发生闪烁现象。因为不会改变恒流源的工作条件（升压比或降压比），更不可能发生过热等问题。(www.xing528.com)

使用脉宽调光要注意下面两个问题：

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消除调光引起的啸声，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。

好的LED光源调光技术还需要有好的LED控制信号技术来匹配及配合，才能成为一个行之有效，稳定可靠的系统。之前提到了LED采用PWM调光方式有一个突出的优点，数字控制信号很容易变换成为一个PWM信号。而在照明的数字控制信号中，DALI（数字可寻址的照明接口）有着其他照明数字控制信号无可比拟的优越性，且也是目前数字控制信号应用在照明行业的主流，开放的国际标准。因此PWM调光方式与DALI的匹配可谓是“好马配好鞍”，各自发挥着自身的优势，PWM调光技术解决好LED光源的最终调光难题，DALI技术解决了每个LED灯具的控制，反馈及组网。

DALI技术的最大特点是单个灯具具有独立地址，通过DALI系统软件可对单灯或任意的灯组进行精确的调光及开关控制，不论这些灯具在强电上是同一个回路或不同回路。即照明控制上与强电回路无关，DALI系统软件可对同一强电回路或不同回路上的单或多个灯具进行独立寻址，从而实现单独控制和任意分组。这一理念为照明控制带来极大的灵活性，用户可根据需要随心所欲地设计满足其需求的照明方案，甚至在安装结束后的运行过程中仍可任意修改控制要求，而无须对线路做任何改动。

目前DALI已成为欧洲数字调光的主流标准，以下是PWM调光方式结合DALI的应用优势：

1.设计简单易行。设计中只要通过数字信号接口相互连接，并联到2芯控制线上。所有分组和场景均可在安装调试时通过计算机软件编程，不仅节约了布线成本，对于设计修改、重新布局和分隔也只需更改软件设置而不需重新布线，非常简单易行。

2.安装简单经济。DALI控制线对线材无特殊要求，安装时也无极性要求，只要求主电源线与控制线隔离开，控制线无须屏蔽，要注意的是当控制线上电流在250mA，线长300米时压降不超过2V。控制线和电源线可并行，无须另外埋线。设计紧凑的控制组件无须专门的控制柜，因此安装简便且经济。

3.操作简单方便。具有DALI控制接口的PWM-LED驱动器可自动处理灯丝预热，点燃，调光、开关，故障检测等功能，用户界面是十分友好的，用户无须对此理解很深就能操作控制，如发送一个改变现行场景的命令，各个相关LED驱动器根据现行亮度与场景要求亮度之差，各自计算调光速率以达到所有LED光源都同步调光到要求的场景亮度。

4.控制精确可靠。DALI为数字信号，不同于模拟信号，1010的信号可以实现无扰动控制，不会因长距离压降而使得控制信号失真，因此即使DALI数字信号控制线与强电线同走一条线管也不会受干扰。DALI信号是双向传输，不但可前向传输控制命令，也会将LED驱动器的状态、故障信息、开关，实际亮度值的信息反馈回系统。

5.应用范围广泛。如今，DALI接口已不仅仅限用于荧光灯镇流器调光，各种卤钨灯电子变压器，气体放电灯电子镇流器，LED也采用了DALI接口调光；控制设备还包括：无线电接收器、继电器开关输入接口。各种按键控制面板、包括LED显示面板都已具有DALI接口，这将使DALI的应用越来越广，控制器从最小的一间办公室扩大到多间房间的办公大楼，从单个商店扩大到星级酒店。