1 脈沖電流驅(qū)動(dòng)大功率LED電源電路設(shè)計(jì)
　　本文擬研究設(shè)計(jì)大電流窄脈沖直流驅(qū)動(dòng)電源，通過設(shè)置脈寬寬度調(diào)節(jié)PWM^[4]（Pulse Wideth Modulate）基準(zhǔn)電流或電壓幾倍于常規(guī)工作值的間隔通斷方式，獲得LED更高的瞬態(tài)光強(qiáng)度，縮短單位時(shí)間內(nèi)的通電時(shí)間以實(shí)現(xiàn)LED芯片無功率散熱；探索提高LED發(fā)光效率在電源驅(qū)動(dòng)方向上的實(shí)現(xiàn)方案。
　　利用LED的瞬態(tài)響應(yīng)特性（頻繁開關(guān)響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí))及人眼的感光滯后效應(yīng)(如>70Hz，不會(huì)覺察閃爍)[3]，設(shè)計(jì)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(shè)置光敏傳感器、溫度傳感器并經(jīng)轉(zhuǎn)化電路調(diào)節(jié)控制PWM基準(zhǔn)電壓的設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)占空比主動(dòng)微調(diào)，平均電流變化，進(jìn)而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)光強(qiáng)的目的。為實(shí)現(xiàn)上述要求，實(shí)驗(yàn)原理電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1。

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2 脈沖驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)
　　為了觀察不同占空比開關(guān)點(diǎn)亮LED時(shí)，LED的光電參數(shù)變化，設(shè)計(jì)圖2所示的實(shí)驗(yàn)電路。采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生70Hz、不同占空比（10％～95％）、峰值為5V的脈沖信號(hào)，控制功率開關(guān)管通斷，LED(采用小功率綠管)由WY精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源提供穩(wěn)壓直流供電，利用感光二極管（固定受光面與LED發(fā)光面的距離）通過測(cè)量串聯(lián)在感光二極管電路中的電阻分壓測(cè)定LED的瞬態(tài)光強(qiáng)；由于電流表及電壓表測(cè)量值為線性平均值不能準(zhǔn)確測(cè)得70Hz下脈沖峰值電流，頻率對(duì)電路中瞬態(tài)峰值電流不會(huì)造成太大影響（波動(dòng)在5%以內(nèi)），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(diǎn)亮LED，單位時(shí)間內(nèi)電路只有高脈寬時(shí)間段導(dǎo)通，所以采用電壓、電流再和占空比加權(quán)可得實(shí)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(shù)字溫度計(jì)，其熱電偶緊貼LED管腳固定，在狀態(tài)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(jì)。同樣由于照度計(jì)測(cè)量時(shí)取采樣周期內(nèi)平均值，為了準(zhǔn)確獲得一個(gè)脈沖周期內(nèi)點(diǎn)亮LED的最大照度，應(yīng)測(cè)量低頻（0.2Hz）下的照度值（所有器件均放入積分球內(nèi)封閉測(cè)量）。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jì)算功率的關(guān)系，溫度隨照度的變化關(guān)系及照度和光電流（光電二極管中的感光電流）的關(guān)系。采用二次曲線擬合，可以發(fā)現(xiàn)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(guān)系
　　圖3是不同占空比下功率與照度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。自上而下四條曲線分別是占空比為11%、36%、65%、90%時(shí)功率（橫坐標(biāo)）與照度（縱坐標(biāo)）的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由圖可見，隨著LED所加載功率的增加，其光強(qiáng)同時(shí)提高，并隨著功率的進(jìn)一步增加，逐漸趨于飽和。這與恒流驅(qū)動(dòng)下LED光強(qiáng)衰減曲線特性相吻合，見參考文獻(xiàn)[3]。通常的解釋是：LED器件在小電流下溫度效應(yīng)不明顯，光強(qiáng)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(yīng)，致使LED發(fā)光效率降低，光強(qiáng)逐漸趨于飽和。比較圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guān)系；隨著功率的進(jìn)一步增加，不同占空比下的照度趨于逐漸飽和，但是出現(xiàn)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(jìn)一步說明這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提取圖6的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析其照度與不同占空比的關(guān)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(shí)，照度與占空比的關(guān)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(shì)。而隨加載功率的增加，這一現(xiàn)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(duì)于保持LED發(fā)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(qū)動(dòng)在大功率LED上應(yīng)用具有實(shí)際意義。小占空比下可以為L(zhǎng)ED加載更大的電流并得到更大的照度，利于在驅(qū)動(dòng)電源方案上實(shí)現(xiàn)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(guān)系
　　為了觀測(cè)不同占空比下照度與LED器件溫度的變化關(guān)系，本文采用精確到0.1℃的數(shù)字溫度計(jì)，其熱電偶緊貼LED管腳固定，在狀態(tài)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(guān)系實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，自上而下四條曲線分別是占空比為90%、65%、36%、11%時(shí)，照度（橫坐標(biāo)）與器件溫度（縱坐標(biāo)）的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖中可見隨著發(fā)光照度的增加，LED器件溫度成上升趨勢(shì)，這與直流驅(qū)動(dòng)下LED溫度效應(yīng)曲線變化相一致，見參考文獻(xiàn)[3]。但是相同功率下，小占空比驅(qū)動(dòng)的LED溫升幅度較小，隨著功率的加大，變化趨勢(shì)更為顯著。如照度為100lux時(shí)，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(yīng)相吻合。另外，同樣看到低于10mW（40lux）功率范圍內(nèi)，變化曲線趨于一致，溫升幅度變化區(qū)別不大，同樣也印證了前面3.1節(jié)中功率與照度趨勢(shì)線分析，小占空比脈沖驅(qū)動(dòng)有助于改善大功率LED發(fā)光狀況，其原因是小占空比對(duì)LED熱效應(yīng)有較明顯的影響。同樣說明小占空比下可以為L(zhǎng)ED加載更大的電流而得到更大的照度，利于在驅(qū)動(dòng)電源上實(shí)現(xiàn)大功率LED獲得更高光亮度的實(shí)現(xiàn)方案。

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3.3 不同占空比下光電流與照度關(guān)系比較
　　為了更為直接地評(píng)估LED脈沖下的光強(qiáng)變化，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)利用感光二級(jí)管(固定受光面和LED發(fā)光面的距離)通過測(cè)量串聯(lián)在感光二級(jí)管電路中的電阻分壓測(cè)定LED的瞬態(tài)光強(qiáng)。圖6為實(shí)驗(yàn)測(cè)量的光電流與照度間對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)。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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了用光電流的測(cè)量來代替照度計(jì)測(cè)量照度光強(qiáng)的可行性。為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)測(cè)量70Hz下LED照度提供了條件。

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　　通過大電流窄脈沖驅(qū)動(dòng)小功率LED的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其發(fā)光指標(biāo)得到有效改善，溫升幅度降低，光電流與照度成直線關(guān)系(偏差10%以內(nèi))，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大電流窄脈沖驅(qū)動(dòng)大功率LED方案提供了必要準(zhǔn)備；對(duì)其光通量的測(cè)量、光譜的測(cè)量，脈沖峰值電流、電壓的測(cè)量（70Hz）等進(jìn)行了有意義的探索。后續(xù)的工作需要進(jìn)一步探討脈沖點(diǎn)亮LED的光效評(píng)估方法及脈沖方式對(duì)人眼視覺感光習(xí)慣的影響。

參考文獻(xiàn)
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