工程师推荐PWM调光之如何优化LED色彩稳定度
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工程师推荐PWM调光之如何优化LED色彩稳定度
本文探讨提供发光二极体()调光的方法，分析调光对其长期性能及所发射出光的色彩稳定性之影响，并特别探讨如何结合使用线性恒流稳流器(CCR)及数位电晶体来提供脉冲宽度调变(PWM)调光。本文引用地址：PWM为改变光输出首要方法光要多少才足够？要求的发光量通常由所处环境与用途决定。就会议室而言，一般圆桌会议时的照明可能非常亮；但若使用投影系统来观看会议材料，会议室的光就可能会调暗很多；起居室的照明通常会被调节从而营造恰当的氛围；而汽车仪表板的背光则通常根据日间或夜间驾驶来自动调节。光源已从非常易于调节的白炽灯转向要求以特殊电路提供不同光等级的萤光灯。LED是业界出现的最新一代光源，要求采用新的电子电路来改变光等级。改变LED光输出的方法有两种，第一种是减小流经LED的电流，而LED发射的光量与流经LED的电流成正比；第二种方法是为LED提供脉波电流，LED发射出的光与工作周期(Duty Cycle)成正比。使用减小电流的方法进行LED调光类似于大多数白炽灯泡使用的调光方法。这种减小电流的方法在为数不多的应用中可以接受，但随着光等级降低，LED发出的光色彩也根据电流而变化。电流较小时，色度(Chromaticity)朝向黄色变化。图1显示不同电流时的典型色度变化。白炽灯泡的亮度能够藉减小电流的方法来调光至低于完整亮度的1%，因为白炽灯是藉由电流流过灯丝，使灯丝发热进而发光。但使用减小电流的方法，极难将 LED亮度调至低于完整亮度的5%，因为所需的电压势会导致矽结点破裂并开始导电。LED是二极体，随着结点破裂，它就像是电子雪崩，电阻急速下降。要提供足够电压，使LED以极低电流导电非常困难。图2显示LED在不同正向电压(V)条件下的典型正向电流的曲线。为LED提供脉波电流的方法也称作PWM，这种方法已经成为改变光等级的首选方法。LED本身是矽元件，对应流经它们的电流导通及关闭而快速地导通和关闭。开关时间在100奈秒(ns)等级，相当于最大频率10MHz。应用通常以100Hz～100kHz的频率工作。频率低于100Hz时，人眼会观察到 LED光闪烁。频率在500Hz～20kHz之间时，电路可能产生能听到的杂讯。调光是通过在单个开关周期的某部分时间内将LED导通;而在此开关周期的其余部分时间内，将LED关闭来实现。这种导通关闭周期称作工作周期(D)，其表达方式为LED导通时间(TON)除以整个开关/导通周期时间(TS) (图3)。LED导通时间与光输出息息相关在LED导通期间，流经LED的电流保持恒定，使LED发射的光恒定，且无色度(色彩)变化。亮度与LED导通时间所占的百分比成正比。可以在LED的串列使用安森美半导体(On Semiconductor)的双端CCR(如NSI45020AZT1G)及双极结晶体管(BJT)(如MMBT3904LT1G)来配置图4所示的简单电路，用于汽车仪表板背光。由两颗4.7kΩ电阻(R1，R2)构成的简单偏置电路置于双极结晶体管的基极。电阻值10Ω、精度1%的电阻(R3)置于双极结晶体管的射极脚，用来感测电流。测量电阻R3两端的电压即可简单地得出对应的电流(200毫伏特=20毫安培)，R3仅用于测量电路电流，设计完成后即不需要它。电路的供电电压范围为直流5～20伏特。由微控制器(MCU)提供的5伏特控制电压，通过电阻R1施加在双极结晶体管的基极，并将双极结晶体管导通。CCR会自动地将流经LED的电流维持在20毫安培。可以恰当选择R1和R2的电阻值，使其匹配驱动电路。双极结晶体管通常在0.5伏特电压时开始导通。若R1=R2(图4中均为4.7kΩ)，那么这分压电路就要求大于1伏特的电压来将双极结晶体管导通。若R1=10kΩ且R2=47kΩ，这电路就只需要大于0.6伏特的电压来导通。控制讯号的工作频率为300Hz，脉波宽度为30微秒(μs)。随着脉波宽度增加，LED导通的总时间也会延长，并提升光输出。在脉波接近零电平时，光输出也将接近零。图5显示不同工作周期条件下的流明输出曲线。任何电路开关电流可能都存在电磁干扰(EMI)问题。由于LED和CCR的开关速度极快，不到100奈秒，为消除EMI弊病，可在电路中增加一颗电容。在上述图4所示的基本电路中，双极结晶体管的基极与射极之间增加一颗100nF电容，使流经电路的电流上升沿(Rising Edge)及下降沿(Falling Edge)的斜坡延长1.5微秒(图6)。CCR导通关闭电流的斜坡可以由电阻R1和电容C1的值来控制。所选定的延迟/斜坡将影响所选的调光电路工作频率，延迟越长，频率就会越低。延迟时间与最小导通时间比应当不低于10：1，频率也受精度及所要求的调光步骤影响。上升沿及下降沿延迟1.5微秒时，最小导通时间应为30微秒。若设计需要高精度及一百个调光步骤，那么就要求3毫秒(ms)的总开关TS或 333Hz的频率。调节电流/LED导通时间实现调光LED调光既可通过减小电流，亦可通过缩短LED导通时间来进行。减小电流的方法会导致LED光输出的色彩变化，首选的方法是通过使用PWM讯号来缩短LED导通的时间。采用简单的CCR及双极结晶体管和PWM讯号控制的LED能够轻易地调光至汽车及建筑物照明应用要求的精度。使用双极结晶体管使LED能够以恒定电流驱动，从而不会有色度变化；光的色彩仍然保持一致，仅是LED发射的光量减小。
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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 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。&　　1 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。&　　2 采用电感的PWM 调节方法&　　2.1 驱动电路　　电路中， 当电感上通有电流时， 电感会产生磁场， 即部分电流转换成磁能的方式& 存储& 在电感中； 当不再向电感上通电流时， 电感会将磁能通过电流的方式在回路中释放出来。这也是电感上电流不能突变的原因， 基于电感的这种& 充放电& 原理， 可以将它用来平均PWM 波调光中产生的不连续电流。式（1） 、式（2） 分别是LR 电路的充电和放电过程及电流与时间的关系。　　　　其中，If是最终稳定电流，I0是放电初始电流，& （&=L/R，L 是电感值，R 是回路电阻） 是LR 电路的时间常数。　　图1 所示为驱动电路， 电感值的选择以及PWM 波的频率选择在此驱动电路中相当重要。选择C8051330 芯片作为PWM 波的输出， 采用定时器翻转控制高低电平的时间，从而控制PWM 波的占空比。&　　　　图1 驱动电路&　　要保证PWM 周期小于电感的& 时间， 因为若PWM 的周期大于&， 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 &s 以上，直流电感为10&O， 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。&　　　　（a）电感值为0.1mH 时电流随时间关系&　　　　（b）电感值为1mH 时电流随时间关系&　　　　（c）电感值为40mH 时电流随时间关系&　　　　（d）图c 曲线局部放大图　　图2 不同电感值下电流随时间的变化。&　　通过模拟可初步选择40 mH 的电感作为驱动电路所用， 图3 是用示波器采到的电压波形图， 此电压是电路中串联了一个20 &O 的电阻上的电压， 稳定后电压为340 mV， 即电路中电流为17 mA.因为实际电路中电流有损耗， 所以实际电流值比模拟电流值偏小， 但整个电流的变化趋势与模拟基本一致。&　　　　图3 电感值40mH 电路中串联电阻的电压变化&
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请问PWM调光是从哪一年开始使用的？
有几个疑问，请教高手：
1，液晶显示器接替CRT的一个重要原因不就是无闪烁吗？怎么现在都在讨论闪烁的问题？
2，PWM调光是从液晶一上市就开始使用的技术，还是近几年为了降低成本而使用的？如果是近几年才使用的，是从哪一年开始的，之前是什么技术？
3，液晶显示器里的供电是交流电还是直流电？如果是交流电为何不转成直流供电，直流不就不闪了吗？
小白提问，见笑了，请不吝赐教！
貌似PWM一直在用，闪的问题是LED背光才出现的。
这问题和CRT的闪不是一回事，CRT是刷新率不足导致的闪。
LED背光貌似没有了CCFL的余辉效应，才出现PWM调光的闪烁问题。
供电问题这样解释，用直流电驱动LED理论上会极大影响LED的寿命，另外能耗也是个巨大的问题，在天朝销售的电子产品是有个能耗指标的
1 CRT中含有欧盟环境标准不允许使用的原料 直接被禁
crt无法做到很大的尺寸 重 耗电.....
2 PWM调光是适合Led背光的方式 如果是很高的频率的话 不会产生可察觉得到的闪烁问题
模拟调光通常可以很简单的来实现。我们可以通过一个控制电压来成比例地改变LED驱动的输出。模拟调光不会引入潜在的电磁兼容/电磁干扰(EMC/EMI)频率。然而，在大多数设计中要使用PWM调光，这是由于LED的一个基本性质：发射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。对于人眼来说，很难察觉到红、绿或蓝LED中几纳米波长的变化，特别是在光强也在变化的时候。但是白光的颜色温度变化是很容易检测的。
大多数LED包含一个发射蓝光谱光子的区域，它透过一个磷面提供一个宽幅可见光。低电流的时候，磷光占主导，光趋近于黄色。高电流的时候，LED蓝光占主导，光呈现蓝色，从而达到了一个高CCT。当使用一个以上的白光LED的时候，相邻LED的CCT的不同会很明显也是不希望发生的。同样延伸到光源应用里，混合多个单色LED也会存在同样的问题。当我们使用一个以上的光源的时候，LED中任何的差异都会被察觉到。
LED生产商在他们的产品电气特性表中特别制定了一个驱动电流，这样就能保证只以这些特定驱动电流来产生的光波长或CCT。用PWM调光保证了LED发出设计者需要的颜色，而光的强度另当别论。这种精细控制在RGB应用中特别重要，以混合不同颜色的光来产生白光。
从驱动IC的前景来看，模拟调光面临着一个严峻的挑战，这就是输出电流精度。几乎每个LED驱动都要用到某种串联电阻来辨别电流。电流辨别电压(VSNS)通过折衷低能耗损失和高信噪比来选定。驱动中的容差、偏移和延迟导致了一个相对固定的误差。要在一个闭环系统中降低输出电流就必须降低VSNS。这样就会反过来降低输出电流的精度，最终，输出电流无法指定、控制或保证。通常来说，相对于模拟调光，PWM调光可以提高精度，线性控制光输出到更低级。
3 有直流的 参见2
CCFL貌似也有PWM调光，不是LED的专利
本帖最后由 cocklao 于
21:36 编辑
<font color="#7jrz7 发表于
貌似PWM一直在用，闪的问题是LED背光才出现的。
这问题和CRT的闪不是一回事，CRT是刷新率不足导致的闪。
直流电会明显影响LEd寿命完全莫名的理论。LED本来就应该是直流供电
只是纯直流供电在精准控制等多方面产生大量麻烦，才使用了PWM
直流供电，在电流电压低时候，也就是亮度调低时候，会导致LED背光，色温偏差很大，所以就无法达标。
为什么早期CCFL的背光，不感觉闪，是因为CCFL背光用的PWM的频率比LED的要高很多。同时有余辉效应，所以就不是很感觉出来了。
现在的低价LED背光，都是用频率60HZ这样的劣质控制器，高频的几百几千赫兹的控制器很贵，厂商不会用
RadeonLEI 发表于
直流供电，在电流电压低时候，也就是亮度调低时候，会导致LED背光，色温偏差很大，所以就无法达标。
貌似CCFL的频率通常是40-60KHZ的范围，LED的也不至于低到60HZ罢？这玩意频率做低了反而成本上升才对。
本帖最后由 RadeonLEI 于
18:12 编辑
http://www.tftcentral.co.uk/articles/pulse_width_modulation.htm的很多PWM显示器测试结论。
低价LED背光显示器最大的PWM频率也就250hz，这最大hz就是说是最大亮度100亮度的情况下，估计谁都不会受得了LED的100亮度家用吧，而亮度下降后，基本是等比下降HZ。
而CCFL早期的的确是用很高的PWM调频，现在么，估计也就是和LED 一样频率了，不过还是因为CCFL有余辉效应，所以可以等效于2到4倍的LED频率。
所以CCFL在低亮度下就沒觉得这么闪了
RadeonLEI 发表于
http://www.tftcentral.co.uk/articles/pulse_width_modulation.htm的很多PWM显示器测试结论。
你把PWM的工作方式搞错了吧，液晶背光都是脉宽PWM，也就是通过改变单次电流脉冲的时间长短来控制亮度。单纯的改变频率，总通电的时间依然不会变，亮度也不会改变
风华乱 发表于
你把PWM的工作方式搞错了吧，液晶背光都是脉宽PWM，也就是通过改变单次电流脉冲的时间长短来控制亮度。单 ...
是的，改变工作频率的应该是PDM。。。
风华乱 发表于
你把PWM的工作方式搞错了吧，液晶背光都是脉宽PWM，也就是通过改变单次电流脉冲的时间长短来控制亮度。单 ...
你沒搞清楚PWM最重要的定义，
单位时间内，PWM就是亮的次数，而且最重要的是，每次亮的时间必须固定，如果不固定，就根本不是PWM调光，
而且LED根本就沒办法精确控制电流，同样，沒办法精确控制每次亮的时间长短不一样（能精确控制的不是没有，可控硅方式，不过这成本就不是低端LED背光用的了）
打个比方，1秒内，同样电压电流亮度，亮10次，和亮20次，每次亮都是1ms，自然是亮20次的变成亮了20ms，比10ms的要长，所以根据视觉暂留原理，感觉亮度高。频率就高，闪烁感就低。
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
你们千万不要搞错，既然叫频率，自然每次亮的那个时间是固定的，总亮单位时间当然不固定。不知道你们能明白么
本帖最后由 风华乱 于
14:30 编辑
[quote]RadeonLEI 发表于
捕获12.PNG (74.79 KB, 下载次数: 5)
14:28 上传
(80.39 KB, 下载次数: 7)
14:27 上传
RadeonLEI 发表于
你沒搞清楚PWM最重要的定义，
单位时间内，PWM就是亮的次数，而且最重要的是，每次亮的时间必须固定，如 ...
这些都是你发的网络链接里文章商品名称：
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这款是PWM频闪调光还是DC可变电流调光？具使用过的人反映说调暗后有频闪，最暗时大约在100Hz左右。
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您好！如出现频闪，可在&我的京东&申请返修，感谢您对京东的支持！祝您购物愉快！
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pwm 调光 ，亮暗由什么电流决定
是平均电流还是有效电流？我觉得应该是按有效值来算但有效值并不是线性的啊
我有更好的答案
我推荐一款CPU，又可以利用IDAC输出0-2ma电流来调节，PWM调光是利用PWM调节电压波形输出的占空比来实现的，又有IDAC功能，你用的什么单片机啊，既可以调节占空比控制：新华龙的C8051F系列单片机，里面既有PWM输出，很方便的你说的不对
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