1 脈沖電流驅(qū)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(qū)動電源，通過設置脈寬寬度調(diào)節(jié)PWM^[4]（Pulse Wideth Modulate）基準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)光強度，縮短單位時間內(nèi)的通電時間以實現(xiàn)LED芯片無功率散熱；探索提高LED發(fā)光效率在電源驅(qū)動方向上的實現(xiàn)方案。
　　利用LED的瞬態(tài)響應特性（頻繁開關(guān)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(jīng)轉(zhuǎn)化電路調(diào)節(jié)控制PWM基準電壓的設定，從而實現(xiàn)占空比主動微調(diào)，平均電流變化，進而達到自動調(diào)節(jié)光強的目的。為實現(xiàn)上述要求，實驗原理電路結(jié)構(gòu)設計如圖1。

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2 脈沖驅(qū)動電路實驗
　　為了觀察不同占空比開關(guān)點亮LED時，LED的光電參數(shù)變化，設計圖2所示的實驗電路。采用信號發(fā)生器產(chǎn)生70Hz、不同占空比（10％～95％）、峰值為5V的脈沖信號，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）通過測量串聯(lián)在感光二極管電路中的電阻分壓測定LED的瞬態(tài)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(tài)峰值電流不會造成太大影響（波動在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亮LED，單位時間內(nèi)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(quán)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(shù)字溫度計，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。同樣由于照度計測量時取采樣周期內(nèi)平均值，為了準確獲得一個脈沖周期內(nèi)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(nèi)封閉測量）。
3 實驗結(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驗測量結(jié)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(guān)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(qū)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(fā)光效率降低，光強逐漸趨于飽和。比較圖3的實驗結(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。為進一步說明這一實驗現(xiàn)象，提取圖6的相關(guān)實驗數(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，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。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(qū)動電源方案上實現(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，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)系實驗測量結(jié)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(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，這與直流驅(qū)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(qū)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(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)中功率與照度趨勢線分析，小占空比脈沖驅(qū)動有助于改善大功率LED發(fā)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(qū)動電源上實現(xiàn)大功率LED獲得更高光亮度的實現(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(fā)光面的距離)通過測量串聯(lián)在感光二級管電路中的電阻分壓測定LED的瞬態(tài)光強。圖6為實驗測量的光電流與照度間對應關(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(qū)動小功率LED的實驗驗證，其發(fā)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(guān)系(偏差10%以內(nèi))，為進一步實現(xiàn)大電流窄脈沖驅(qū)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(xù)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(qū)動電路的設計與實現(xiàn).電子技術(shù)，2005，（8）：51-52.

[2] 國家半島體照明產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟.中國半導體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展年鑒（2006）.科學出版社，2006.
[3] 周志敏，周紀海，紀愛華，等.LED驅(qū)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(qū)動芯片的設計[D].杭州：浙江大學，2006，38-52.