LED照明PWM調光

不管你用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。

用開(kāi)關(guān)調節器調光

基于開(kāi)關(guān)調節器的LED驅動(dòng)需要一些特別考慮，以便于每秒鐘關(guān)掉和開(kāi)啟成百上千次。用于通常供電的調節器常常有一個(gè)開(kāi)啟或關(guān)掉針腳來(lái)供邏輯電平PWM信號連接，但是與此相關(guān)的延遲（tD）常常很久。這是因為硅設計強調回應時(shí)間中的低關(guān)斷電流。而驅動(dòng)LED的專(zhuān)用開(kāi)關(guān)調節則相反，當開(kāi)啟針腳為邏輯低以最小化tD時(shí)，內部控制電路始終保持開(kāi)啟，然而當LED關(guān)斷的時(shí)候，控制電流卻很高。

用PWM來(lái)優(yōu)化光源控制需要最小化上升和下降延遲，這不僅是為了達到最好的對比度，而且也為了最小化LED從零到目標電平的時(shí)間（這里主導光波長(cháng)和CCT不能保證）。標準開(kāi)關(guān)調節器常常會(huì )有一個(gè)緩開(kāi)和緩關(guān)的過(guò)程，但是LED專(zhuān)用驅動(dòng)可以做所有的事情，其中包括降低信號轉換速率的控制。降低tSU 和 tSN要從硅設計和開(kāi)關(guān)調節器拓撲兩方面入手。

Buck調節器能夠保持快速信號轉換而又優(yōu)于所有其它開(kāi)關(guān)拓撲主要有兩個(gè)原因。其一，Buck調節器是唯一能夠在控制開(kāi)關(guān)打開(kāi)的時(shí)候為輸出供電的開(kāi)關(guān)變換器。這使電壓模式或電流模式PWM（不要與PWM調光混淆）的Buck調節器的控制環(huán)比Boost調節器或者各種Buck-Boost拓撲更快?？刂崎_(kāi)關(guān)開(kāi)啟的過(guò)程中，電力傳輸同樣可以輕易地適應滯環(huán)控制，甚至比最好的電壓模式或電流模式的控制環(huán)還要快。其二，Buck調節器的電導在整個(gè)轉換周期中連在了輸出上。這樣保證了一個(gè)持續輸出電流，也就是說(shuō)，輸出電容被刪減掉。沒(méi)有了輸出電容，Buck調節器成了一個(gè)真正的高阻抗電流源，它可以很快達到輸出電壓。Cuk和zeta轉換器可以提供持續的輸出電感，但是當更慢的控制環(huán)（和慢頻）被納入其中的時(shí)候，它們會(huì )落后。

比開(kāi)啟針腳更快

即使是一個(gè)單純的無(wú)輸出電容的滯后Buck調節器，也不能滿(mǎn)足某些PWM調光系統的需要。這些應用需要高PWM調光頻率和高對比度，這就分別需要快速信號轉換率和短延遲時(shí)間。對于機器視覺(jué)和工業(yè)檢驗來(lái)說(shuō)，系統實(shí)例需要很高的性能，包括LCD板的背光和投影儀。在某些應用中，PWM調光頻率必須超過(guò)音頻寬，達到25kHz或者更高。當總調光周期降低到微秒級時(shí)，LED電流總上升和下降時(shí)間（包括傳輸延遲），必須降低到納秒級。

讓我們來(lái)看看一個(gè)沒(méi)有輸出電容的快速Buck調節器。打開(kāi)和關(guān)斷輸出電流的延遲來(lái)源于IC的傳輸延遲和輸出電感的物理性質(zhì)。對于真正的高速PWM調光，這兩個(gè)問(wèn)題都需要解決。最好的方法就是要用一個(gè)電源開(kāi)關(guān)與LED鏈并聯(lián)（圖3）。要關(guān)掉LED，驅動(dòng)電流要經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)分流，這個(gè)開(kāi)關(guān)就是一個(gè)典型的n-MOSFET。IC持續工作，電感電流持續流動(dòng)。這個(gè)方法的主要缺點(diǎn)是當LED關(guān)閉的時(shí)候，電量被浪費掉了，甚至在這個(gè)過(guò)程中，輸出電壓下降到電流偵測電壓。

圖3：分流電路及其波形。

用一個(gè)分流FET調光會(huì )引起輸出電壓快速偏移，IC的控制環(huán)必須回應保持常電流的請求。就像邏輯針腳調光一樣，控制環(huán)越快，回應越好，帶有滯環(huán)控制的Buck調節器就會(huì )提供最好的回應。

用Boost和Buck-Boost的快速PWM

Boost調節器和任何Buck-Boost拓撲都不適合PWM調光。這是因為在持續傳導模式中（CCM），每個(gè)調節器都展示了一個(gè)右半平面零，這就使它很難達到時(shí)鐘調節器需要的高控制環(huán)帶寬。右半平面零的時(shí)域效應也使它更難在Boost或者Buck-Boost電路中使用滯后控制。另外，Boost調節器不允許輸出電壓下降到輸入電壓以下。這個(gè)條件需要一個(gè)輸入端短電路并且使利用一個(gè)并聯(lián)FET實(shí)現調光變得不可能。。在Buck-Boost拓撲中，并聯(lián)FET調光仍然不可能或者不切實(shí)際，這是因為它需要一個(gè)輸出電容（SEPIC，Buck-Boost和flyback），或者輸出短電路（Cuk和zeta）中的未受控制得輸入電感電流。當需要真正快速PWM調光的時(shí)候，最好的解決方案是一個(gè)二級系統，它利用一個(gè)Buck調節器作為第二LED驅動(dòng)級。如果空間和成本不允許的時(shí)候，下一個(gè)最好的原則就是一個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān)（圖4）。

圖4：帶有串聯(lián)DIM開(kāi)關(guān)的Boost調節器。

LED電流可以被立即切斷。另外，必須要特別考慮系統回應。這樣一個(gè)開(kāi)路事實(shí)上是一個(gè)快速外部退荷暫態(tài)，它斷開(kāi)了反饋環(huán)，引起了調節器輸出電壓的無(wú)界上升。為了避免因為過(guò)壓失敗，我們需要輸出鉗制電路和/或誤差放大器。這種鉗制電路很難用外部電路實(shí)現，因此，串聯(lián)FET調光只能用專(zhuān)用Boost/Buck-Boost LED驅動(dòng)IC來(lái)實(shí)現。

總而言之，LED光源的單純控制需要設計的初始階段就要非常小心。光源越復雜，就越要用PWM調光。這就需要系統設計者謹慎思考LED驅動(dòng)拓撲。Buck調節器為PWM調光提供了很多優(yōu)勢。如果調光頻率必須很高或者信號轉換率必須很快，或者二者都需要，那么Buck調節器就是最好的選擇。