LED调光方式和simulink，multisim仿真PWM生成和滤波电路

LED调光方式以及相应电路

LED应用较为广泛，可以通过对LED排列方式，光源强度，颜色，显示时长的修改，达到所需要求。例如，电线面光源的实现均可由LED不同排列实现，LED动态显示（显示图片，滚动字幕的效果）可以由单片机控制LED的阵列进行控制，道路定时照明和根据光强调节亮度可以由光敏电阻加单片机等方式实现…

但是有些应用领域，如医学，生物培育，屏幕背光等对光源稳定性需求较大的地方，对LED驱动的电源和控制电路有很大的要求，需要有适当的电压电流，较高抗EMI的能力来提高LED发光的稳定性。需要综合考虑电源转换效率和器件寿命等综合因素去设计电路。

LED属于流控型器件

（LED伏安特性曲线）   

LED控制方式可以分为脉冲，限流，恒流，恒压驱动

若采取恒压控制，随电压的升高，电流会指数上升。LED工作过程中会发热，若选用恒压电源供电，随温度的升高，伏安特性曲线会向左移动，电流会进一步上升，温度会更高，会形成正反馈调节，最终容易造成LED的灯珠损坏。但成本相对来说较为低廉，可以通过稳压串联适当电阻使亮度适合。

（小功率LED发光可以使用直流输入加上AMS1117的LDO线性稳压，串联限流电阻发光）

但对于大功率器件，线性稳压器的输入和输出范围较小，驱动效率低下，因此采用开关电源驱动架构（开关型降压buck电路）可以得到较宽泛的输出结果和较高的能量转换效率[文献1]，成为目前LED驱动方式的主流。（但是buck开关型变换器会产生开关噪声，存在 EMI问题）

在LED应用中，一般需要调节LED的亮度，只有数字信号0，1（高低电平）控制只能得到两种亮灭状态，为了得到连续多级的亮度变化，主要存在三种调光方式：

常见LED光强和电流关系[2]

1. LED可控硅调光[3]，可控硅调光是通过可控硅调光器对输入电压相位大小来控制输入电流，从而调节发光量（原理如下图）

POT1，R1和R2构成移相触发网络（改变每周波导通的起始点位置或结束位置,从而调节其输出功率或电压,通过控制可控硅的导通角大小来控制可控硅的导通量），当C2两端电压累积到双向触发二极管D1（DIAC）阻断电压时，双向可控硅TRIAC导通，调整POT阻值可以更改C2充电时间，从而改变导通角相位，从而改变电流，实现LED光强的控制。但是输入端的LC滤波会使可控硅产生振荡，从而LED的电流会产生噪声和闪烁，无法输出较为纯净的恒定电流，同时由于可控硅对交流电正弦波形的截断，导致最后的功率因数较低，降低了LED的发光效率（需进行功率因数矫正才能满足可控硅的兼容性[3]）

        2.模拟调光，通过改变采样电阻大小改变LED电流大小

（模拟调光电路）

要想实现逐个LED灯亮度的控制，几乎每个LED都需要串联一个采样电阻来识别电流，虽然可以实现不像可控硅调光那样的频闪，但由于LED色温和电流不成线性变化，对一些培育生物对光照颜色有高要求的场景不适用。同时，模拟调光的精度和调光范围较低。

        3.PWM（Pulse-width modulation）调光，通过改变流过LED电流占空比，满足公式Iout = Imax*Dpwm，可以实现电流占比从0-100％调节，有较高的调光精度，可以由NE555芯片加外围电路（或者stm32一类能产生PWM信号的单片机）实现LED的无极调光。PWM调光有很高的调光精度而且可以同数字控制（DALI、DSI，DMX512）相结合（数字信号可以较为方便地转为PWM信号）

补充了解：

1.PWM（Pulse-width modulation）：脉冲宽度调制，使用一个脉冲宽度会被调制的方波，最终波型的平均值会有所变化。占空比=高电平时间/周期。

（不同占空比的脉冲信号）

PWM实现的原理是通过锯齿波/三角波（载波）所需要合成的波形（调制波）进行比较，然后确定PWM所需要输出的极性，作用到开关器件，实现高低电平的变换，从而产生不同占空比的PWM信号。

可以使用matlab中的simulink进行仿真，将constant参考值设置成5，repeating sequence（锯齿波发生器设置成0-10），可以得到最终输出PWM波形

当然也可以将需要调制的波形设置为斜坡输出的波形，可以得到输出一个电压逐渐升高的波形

比如调制一个正弦波sin wave（SPWM），如上图

现在的MCU大部分都自带硬件PWM发生器，主要由stm32f103rct6生成40kHz的pwm波

计数器计数频率：CK_CNT = CK_PSC / (PSC + 1)

计数器溢出频率：CK_CNT_OV = CK_CNT / (ARR + 1)

                                          = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)

• PWM频率：    Freq = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)
• PWM占空比：Duty = CCR / (ARR + 1)
• PWM分辨率：Reso = 1 / (ARR + 1)

可以通过库函数配置相应的GPIO和TIM定时器来实现（代码）

可由示波器采集得到相应的波形

2.滤波电路

生活中一般没有纯净的信号，有些信号容易在各种各样的工作环境中受到高斯白噪声的影响，容易一些电器产生影响，所以滤波在生活中应用广泛。

滤波器近年的发展十分迅速，在5G领域、工业领域、智能家居领域应用十分广泛。滤波器作为一种重要的射频器件，能够起到衰减信号噪声的作用。在射频领域中，广泛应用于放大，混频，振荡Pl的各个部分。无线系统集成度越来越高，对射频滤波器的性能要求也越来越严格，要能够将多个信号进行分离，消除信道噪声，对射频滤波器的选择性以及插损提出了更高的要求。[4]

根据用于实现电路的组件类型对滤波器进行分类。无源滤波器使用电阻器，电容器和电感器，这些组件不具备提供放大的能力，因此无源滤波器只能维持或减小输入信号的幅度。另一方面，有源滤波器既可以滤波信号又可以应用增益，因为它包括有源元件，如晶体管或运算放大器。

滤波器分为低通滤波器（Low-pass Filter，LPF），高通滤波器（High-pass Filter，HPF）

带通滤波器（Band-pass Filter，BPF），带阻滤波器（Band-rejection Filter，BRF）

全通滤波器（All-pass Filter，APF）。仅由电阻、电容、电感这些无源器件组成的滤波电路称为无源滤波器。如果滤波电路中含有有源元件，如集成运放等，则称为有源滤波器。与无源滤波器相比，有源滤波器具有效率高、带负载能力强、频率特性好，而且在滤波的同时还可以将有用信号放大等一系列有点而得到广泛应用。

• • 一阶无源RL滤波器 通低频，阻高频f(cutoff) = R/(2pi*L)

在multisim中构建电路

可以看出仿真之后的结果1.274KHz和计算出的f(cutoff) 1.2732KHz近似相等

同时，使用示波器采集各个通道信号，可以得到通过RL滤波器后，低频率（1KHZ）的信号被滤去，最终输出信号频率同高频（20KHZ）的信号相近，但其相位存在延迟。

• • 一阶无源RC滤波器 通低频，阻高频，f(cutoff) = 1/(z*pi*R*C)

现在设计一个能通过5KHz信号，阻断100KHz信号的滤波器，电容采用常见的0.1uf，使用50KHz的截止频率，最终得到电阻约为32Ω

• • 二阶无源RC滤波器

可以看出二阶滤波器的幅频曲线明显比一阶滤波器更陡，对高频的阻断效果更好

从时域图可以看出二阶滤波器的滤波效果优于一阶滤波器，但同时信号衰减也更加明显

• • RC有源滤波器 基本组成部分：1.RC网络，作用是在电路中进行滤波，将有用的信号过滤出来，选取波形。2.放大器：电路中应用同相输入运放，有高阻抗输入，低阻输出，用于前置放大级。3.反馈网络，将放大器输出的信号反馈回放大器，比较两次输入信号，将比较后的输入信号去控制输出信号。如下框图

参考文献：

[1] Mohammad Javad Hassani. A high-current 1.5-stage LED driver with current-mode BCM PFC and low-voltage film capacitors[J]. Electrical Engineering, 2020, 103

[2] C84263_DABC6A75E58F576973B407FDBA283D60.pdf (szlcsc.com)

[3] 胡俊杰，基于可控硅控制的宽调节范围两段式调光AC-DC LED驱动芯片的设计[D].江苏：东南大学, 2017, 11

[4]赵越凯，可调低通滤波器的研究[D].浙江:杭州电子科技大学, 2022, 1

最后

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