LED為主流照明提供了許多優勢。長壽，高效率和穩健性等因素對消費者具有吸引力，特別是隨著技術價格的不斷下降。

然而，存在一些缺點。其中最主要的是LED并不是傳統光源（如白熾燈泡或熒光燈管）的“替代”替代品。 LED需要特殊的驅動器以滿足其變幻無常的功率需求。此外，消費者過去通過簡單地調低電源電壓來調整傳統燈的亮度，發現同樣的方法對于固態燈來說效果不佳。

本文考慮了為什么電壓的變化會影響光輸出和發出的顏色通過LED。然后，文章在結束之前描述了模擬和數字調光技術，這對于減輕由電流調節引起的對光質量的最壞影響是最佳的。

主導頻移

LED僅在發光時發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），電勢能足以將電子推出n型材料，穿過結勢壘（或能隙），并進入p型區域。在p型區域，當電子以光子的形式放棄能量時，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增加，因為更多的電子通過結點釋放。

LED根據量子力學定律運行，因此兩者之間存在相關性閾值電壓和光子的能量。該關系由下式描述：

eV0 = Eg = hf = hc/λ

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

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

圖1：傳導帶和價帶之間的重組路徑長度可能不同。

圖2：圖1所示排列的典型輸出頻譜。

模擬調光的缺點

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信息，以及正向電流與相對發光之間的關系通量（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。

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光通量的關系。 （由OSRAM提供。）

降低正向電壓，例如使用與LED串聯的可變電阻，使LED變暗。這種用于調光的模擬技術因其簡單和低成本而受到歡迎。

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

圖4顯示了各種顏色LED的相對光譜發射曲線。這里最感興趣的曲線是藍色LED，以約470nm的波長為中心。這是因為幾乎所有“白色”LED都使用藍色設備和發出黃色光的熒光粉。藍色和黃色的組合可以很好地逼近白色（參見TechZone文章“更白，更亮的LED”）。虛線曲線是眼睛的靈敏度函數。

圖4：彩色和白色LED的相對光譜發射曲線。 （由OSRAM提供。）

圖中的曲線繪制在一個特定的正向電流（20 mA）。但是圖5說明了正向電流變化時藍色LED的主頻率會發生什么變化。

圖5：主導頻率的變化藍色LED，正向電流增加。 （由歐司朗提供。）

主導頻率相對較小的變化對消費者所感知的LED的亮度有什么影響？事實證明它實際上非常重要。

圖6顯示了白色LED的色度坐標如何隨著國際照明委員會（CIE）1931色彩空間中正向電流的增加而變化。這是一個用于定義燈光顏色的標準化系統（請參閱TechZone文章“Lighting's Color Science”）。可以看出，在10到50 mA的范圍內，顏色的變化相對較大 - 當然大到足以被消費者檢測到。

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

在某些情況下，在小范圍內，模擬調光引起的顏色變化可能是可以接受的。然而，習慣于傳統調光室內燈仍然是恒定顏色的消費者經常對此應用中暗淡LED光源的顏色變化感到失望。

與PWM的顏色一致性

更好的LED調光技術是保持正向電壓（和正向電流）不變，但使用脈沖寬度調制（PWM）可以快速啟動和關閉LED。通過改變脈沖序列的占空比，可以使光變暗，但由于“開”周期內的正向電壓保持恒定，所以色度坐標沒有偏移，顏色也是一致的。

占空比是脈沖持續時間（tP）與信號周期（T）的比率。高于200Hz的開關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的頻率可能引起問題，因為在打開和關閉LED的短暫間隔期間，色度坐標可以移位。圖7顯示了三個不同的脈沖序列，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。

圖7 ：PWM調光示例。 D3產生的光輸出比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。

圖8：隨著PWM占空比增加的相對照明。 （由OSRAM提供。）

如果用于為器件供電的LED驅動器具有啟用或關閉功能，則實現PWM控制相對簡單。例如，Maxim的MAX1916可以通過將EN引腳拉低來禁用器件，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。通過向EN引腳施加PWM信號，LED的亮度與信號的占空比成正比。 4

具有調光功能的驅動器

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

硅供應商通過允許從邏輯芯片直接連接，生成PWM信號到其LED驅動器，簡化了PWM調光的實施。例如，美國國家半導體的LM3407是用于高功率LED的恒流輸出開關轉換器電源。該芯片適用于汽車，工業和普通照明應用。 LM3407具有調光輸入，可通過PWM實現LED亮度控制。該公司還提供了一個方便的評估板，以便工程師可以試用這款驅動器LM3407EVAL-ND。

同樣，凌力爾特提供LT3796。該LED驅動器是一種開關轉換器，用于調節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可在寬范圍的電源和輸出電壓下穩定工作。該芯片具有PWM輸入，允許LED調光比高達3000：1。

就其本身而言，Maxim提供了一種LED驅動器，可將PWM功能集成到單個芯片上。 MAX16834是一款電流模式高亮度LED驅動器。除驅動由開關轉換器控制的n溝道功率MOSFET開關外，該器件還驅動n溝道PWM調光開關，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償，可控制PWM單元的占空比。圖9顯示了該芯片的應用電路。

圖9：MAX16834 LED驅動器的PWM調光應用電路。

總結

隨著LED進入主流照明應用，消費者希望操作模仿傳統照明。制造商一直在努力確保設備的亮度和模仿白熾燈泡或熒光燈管的顏色。

由于芯片的獨特電源需求，LED的調光更具挑戰性。正向電流與正向電壓成指數關系，因此需要小心控制以將電壓保持在窄范圍內。對于低調光比足夠的廉價應用，通過降低正向電壓進行模擬調光是可以接受的。然而，對于光線質量很重要的應用，例如室內照明，模擬調光不受消費者的歡迎，因為光的顏色會發生顯著變化。

實施PWM控制 - 正向電壓和正向電流保持恒定 - 允許寬調光比，而不改變光的顏色。通過利用具有內置PWM功能的最新一代LED驅動器，將這種數字調光實現為LED照明設計相對容易。