PWM調光技術(shù)詳解

PWM調光是一種利用簡(jiǎn)單的數字脈沖，反復開(kāi)關(guān)白光 LED驅動(dòng)器的調光技術(shù)。應用者的系統只需要提供寬、窄不同的數字式脈沖，即可簡(jiǎn)單地實(shí)現改變輸出電流，從而調節白光 LED 的亮度。PWM 調光的優(yōu)點(diǎn)在于能夠提供高質(zhì)量的白光，以及應用簡(jiǎn)單，效率高！例如在手機的系統中，利用一個(gè)專(zhuān)用 PWM 接口可以簡(jiǎn)單的產(chǎn)生任意占空比的脈沖信號，該信號通過(guò)一個(gè)電阻，連接到驅動(dòng)器的 EN 接口。多數廠(chǎng)商的驅動(dòng)器都支持PWM 調光。

　　不管用Buck, Boost, Buck-Boost還是線(xiàn)性調節器來(lái)驅動(dòng)LED，它們的共同思路都是用驅動(dòng)電路來(lái)控制光的輸出。一些應用只是簡(jiǎn)單地來(lái)實(shí)現“開(kāi)”和“關(guān)”地功能，但是更多地應用需求是要從0到100%調節光的亮度，而且經(jīng)常要有很高的精度。設計者主要有兩個(gè)選擇：線(xiàn)性調節LED電流（模擬調光），或者使用開(kāi)關(guān)電路以相對于人眼識別力來(lái)說(shuō)足夠高的頻率工作來(lái)改變光輸出的平均值（數字調光）。使用脈沖寬度調制（PWM）來(lái)設置周期和占空度（圖1）可能是最簡(jiǎn)單的實(shí)現數字調光的方法，并且Buck調節器拓撲往往能夠提供一個(gè)最好的性能。

圖1：使用PWM調光的LED驅動(dòng)及其波形

　　推薦的PWM調光

　　模擬調光通?？梢院芎?jiǎn)單的來(lái)實(shí)現。我們可以通過(guò)一個(gè)控制電壓來(lái)成比例地改變LED驅動(dòng)的輸出。模擬調光不會(huì )引入潛在的電磁兼容/電磁干擾（EMC/EMI）頻率。然而，在大多數設計中要使用PWM調光，這是由于LED的一個(gè)基本性質(zhì)：發(fā)射光的特性要隨著(zhù)平均驅動(dòng)電流而偏移。對于單色LED來(lái)說(shuō)，其主波長(cháng)會(huì )改變。對白光LED來(lái)說(shuō)，其相關(guān)顏色溫度（CCT）會(huì )改變。對于人眼來(lái)說(shuō)，很難察覺(jué)到紅、綠或藍LED中幾納米波長(cháng)的變化，特別是在光強也在變化的時(shí)候。但是白光的顏色溫度變化是很容易檢測的。

　　大多數LED包含一個(gè)發(fā)射藍光譜光子的區域，它透過(guò)一個(gè)磷面提供一個(gè)寬幅可見(jiàn)光。低電流的時(shí)候，磷光占主導，光趨近于黃色。高電流的時(shí)候，LED藍光占主導，光呈現藍色，從而達到了一個(gè)高CCT。當使用一個(gè)以上的白光LED的時(shí)候，相鄰LED的CCT的不同會(huì )很明顯也是不希望發(fā)生的。同樣延伸到光源應用里，混合多個(gè)單色LED也會(huì )存在同樣的問(wèn)題。當我們使用一個(gè)以上的光源的時(shí)候，LED中任何的差異都會(huì )被察覺(jué)到。

LED生產(chǎn)商在他們的產(chǎn)品電氣特性表中特別制定了一個(gè)驅動(dòng)電流，這樣就能保證只以這些特定驅動(dòng)電流來(lái)產(chǎn)生的光波長(cháng)或CCT。用PWM調光保證了LED發(fā)出設計者需要的顏色，而光的強度另當別論。這種精細控制在RGB應用中特別重要，以混合不同顏色的光來(lái)產(chǎn)生白光。

　　從驅動(dòng)IC的前景來(lái)看，模擬調光面臨著(zhù)一個(gè)嚴峻的挑戰，這就是輸出電流精度。幾乎每個(gè)LED驅動(dòng)都要用到某種串聯(lián)電阻來(lái)辨別電流。電流辨別電壓（VSNS）通過(guò)折衷低能耗損失和高信噪比來(lái)選定。驅動(dòng)中的容差、偏移和延遲導致了一個(gè)相對固定的誤差。要在一個(gè)閉環(huán)系統中降低輸出電流就必須降低VSNS。這樣就會(huì )反過(guò)來(lái)降低輸出電流的精度，最終，輸出電流無(wú)法指定、控制或保證。通常來(lái)說(shuō)，相對于模擬調光，PWM調光可以提高精度，線(xiàn)性控制光輸出到更低級。

　　調光頻率VS對比度

　　LED驅動(dòng)對PWM調光信號的不可忽視的回應時(shí)間產(chǎn)生了一個(gè)設計問(wèn)題。這里主要有三種主要延遲（圖2）。這些延遲越長(cháng)，可以達到的對比度就越低（光強的控制尺度）。

圖2：調光延遲

　　如圖所示，tn表示從時(shí)間邏輯信號VDIM提升到足以使LED驅動(dòng)開(kāi)始提高輸出電流的時(shí)候的過(guò)渡延遲。另外，tsu輸出電流從零提升到目標級所需要的時(shí)間，相反，tsn是輸出電流從目標級下降到零所需要的時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，調光頻率（fDIM）越低，對比度越高，這是因為這些固定延遲消耗了一小部分的調光周期（TDIM）。fDIM的下限大概是120Hz，低于這個(gè)下限，肉眼就不會(huì )再把脈沖混合成一個(gè)感覺(jué)起來(lái)持續的光。另外，上限是由達到最小對比度來(lái)確定的。

　　對比度通常由最小脈寬值的倒數來(lái)表示：

CR = 1 / tON-MIN : 1

　　這里tON-MIN = tD + tSU。在機器視覺(jué)和工業(yè)檢驗應用中常常需要更高的PWM調光頻率，因為高速相機和傳感器需要遠遠快于人眼的反應時(shí)間。在這種應用中，LED光源的快速開(kāi)通和關(guān)閉的目的不是為了降低輸出光的平均強度，而是為了使輸出光與傳感器和相機時(shí)間同步。