La variación de voltaje no es un problema. Con un LM317 se resuelve (busca el datasheet de él).
Pero la manera correcta de variar el brillo de un led es con tensión continua pulsante, y variar el ancho del pulso. pulso corto, poco brillo. Pulso largo mucho brillo.
El diagrama en bloques de un control de brillo que presentas, no se de donde sale. Pero si no lo mal interpreto indica justamente lo que señalamos sobre el control con pulsos.
Los pulsos pueden generarse con un oscilador y el corte del pulso con un FET de baja tensión.
A ver si encuentro algo que te pueda servir.
Saludos
