詳解LED PWM調光技術(shù)及設計注意點(diǎn)

　　無(wú)論LED是經(jīng)由降壓、升壓、降壓/升壓或線(xiàn)性穩壓器驅動(dòng)，連接每一個(gè)驅動(dòng)電路最常見(jiàn)的線(xiàn)程就是須要控制光的輸出?，F今僅有很少數的應用只需要開(kāi)和關(guān)的簡(jiǎn)單功能，絕大多數都需要從0～100%去微調亮度。目前，針對亮度控制方面，主要的兩種解決方案為線(xiàn)性調節LED的電流(模擬調光)或在肉眼無(wú)法察覺(jué)的高頻下，讓驅動(dòng)電流從0到目標電流值之間來(lái)回切換(數字調光)。利用脈沖寬度調變(PWM)來(lái)設定循環(huán)和工作周期可能是實(shí)現數字調光的最簡(jiǎn)單的方法，原因是相同的技術(shù)可以用來(lái)控制大部分的開(kāi)關(guān)轉換器。

　　PWM調光能調配準確色光

　　一般來(lái)說(shuō)，模擬調光比較容易實(shí)行，這是因為L(cháng)ED驅動(dòng)器的輸出電流變化與控制電壓成比例，而且模擬調光也不會(huì )引發(fā)額外的電磁兼容性(EMC)/電磁干擾(EMI)潛在頻率問(wèn)題。然而，大部分設計采用PWM調光的理由都是基于LED的基本特性，即放射光的位移是與平均驅動(dòng)電流的大小成比例(圖1)。對于單色LED來(lái)說(shuō)，主要光波的波長(cháng)會(huì )發(fā)生變化，而在白光LED方面，出現變化的是相對色溫(CCT)。對于人們的肉眼來(lái)說(shuō)，很難察覺(jué)出紅、綠或藍光LED中的奈米波長(cháng)變化，尤其是當光的強度也同樣在改變，但是白光的色溫變化則比較容易察覺(jué)出來(lái)。大多數的白光LED都包含一片可放射出藍光頻譜光子的晶圓，這些光子在撞擊磷光涂層后便會(huì )放射出各種可見(jiàn)光范圍內的光子。在較小的電流下，磷光會(huì )成為主導并使光線(xiàn)偏向黃色;而在較大電流下，LED放射出來(lái)的藍光則較多，使得光線(xiàn)偏向藍色，同時(shí)也會(huì )產(chǎn)生較高的CCT.對于使用超過(guò)一個(gè)白光LED的應用，在兩個(gè)相鄰LED之間出現的CCT差異會(huì )很明顯，且視覺(jué)令人不悅，此概念可以進(jìn)一步延伸將多個(gè)單色LED光線(xiàn)混和在一起的光源。一旦超過(guò)一個(gè)光源，任何出現在它們之間的CCT差異都會(huì )令人感到刺眼。

　　圖1采用PWM調光的LED驅動(dòng)器及波形

　　LED制造商會(huì )在其產(chǎn)品的電流特性表中指定驅動(dòng)電流的大小，其只會(huì )在這些特定電流條件下對產(chǎn)品的主波長(cháng)或CCT提供保證。PWM調光的優(yōu)點(diǎn)在于完全毋須考慮光的強弱，也能確保LED放射出設計人員所需的顏色。這種精確的控制對于紅綠藍(RGB)應用尤其重要，因為這些應用是將不同顏色的光線(xiàn)混和以產(chǎn)生白光。

　　從驅動(dòng)器集成電路的角度看，模擬調光面臨著(zhù)輸出電流準確性的嚴峻挑戰。幾乎所有的LED驅動(dòng)器都在輸出端加入某種形式的串行電阻來(lái)偵測電流，而所選用的電流感測電壓VSNS會(huì )產(chǎn)生一個(gè)協(xié)調作用，使電路能保持高信號信噪比(SNR)，同時(shí)維持低功耗，由驅動(dòng)器中的容限度、偏移和延遲所引致的誤差則相對保持固定。要在封閉回路系統中降低輸出電流，就必須要調降VSNS，但如此一來(lái)，輸出電流的準確性便會(huì )下降，直至VSNS的絕對值等于誤差電壓為止，最后，輸出電流會(huì )變得無(wú)法控制，目標輸出電流將不能被確定或保證。一般來(lái)說(shuō)，PWM調光除了可以提高準確性之外，對于低階光輸出的線(xiàn)性控制也較模擬調光強。

　　調光頻率與對比度成反比

　　對于PWM調光信號而言，每個(gè)LED都有限定的響應時(shí)間，圖2表示三種不同的延遲，延遲愈大者表示能達到的對比度就愈低(對光強度控制的一種測量方法)。

　　圖2調光延遲

　　圖2中的時(shí)間量tD表示由邏輯信號VDIM上升開(kāi)始，至LED驅動(dòng)器開(kāi)始增加輸出電流開(kāi)始之間的傳播延遲，而時(shí)間量tSU則表示輸出電流由0轉換到目標電流所需的時(shí)間，至于時(shí)間量tSD代表輸出電流從目標電流轉換回0所需的時(shí)間。在大多數的情況下，調光頻率fDIM愈低，對比度就愈高，這是因為這些固定延遲只會(huì )占用少部分的調光周期TDIM.調光頻率fDIM的下限約為120Hz，假如低于此頻率，眼睛便不能再將脈沖混和成一個(gè)可見(jiàn)的連續光線(xiàn)。至于上限則取決于最低對比度的要求，對比度一般被表示成最低導通時(shí)間的倒數。

　　CR=1 / tON-MIN：1

　　tON-MIN=tD+tSU

　　機械視覺(jué)辨識和工業(yè)檢驗等應用通常都需要較高的PWM調光頻率，主因為高速攝影機和傳感器的反應速度比人類(lèi)眼睛快很多。在這類(lèi)應用中，對于LED光源進(jìn)行高速開(kāi)和關(guān)的目的不是要降低平均的光輸出量，而是要將光輸出與傳感器或攝影機的捕捉時(shí)間進(jìn)行同步化。

　　利用開(kāi)關(guān)穩壓器來(lái)調光

　　為了達到每秒開(kāi)關(guān)數百次或甚至數千次，以開(kāi)關(guān)穩壓器為基礎的LED驅動(dòng)器，須經(jīng)過(guò)特別的設計考慮。針對標準電源供應而設計的穩壓器一般都會(huì )設計一根“啟動(dòng)”或關(guān)閉接腳，以便供邏輯PWM信號使用，但連帶的延遲tD則頗長(cháng)，這是由于硅芯片的設計強調在響應時(shí)間內維持低停機電流。然而，專(zhuān)用來(lái)驅動(dòng)LED的開(kāi)關(guān)穩壓器則恰好相反，它可在「啟動(dòng)」接腳邏輯低時(shí)，保持內部控制電路的活動(dòng)，以將tD減至最低，而當LED被關(guān)關(guān)時(shí)，則會(huì )面臨較大工作電流的困擾。

　　在使用PWM來(lái)達成光控制優(yōu)化時(shí)，要把轉上(Slew-up)和轉下(Slew-down)延遲維持在最低，這不單為了獲得最佳的對比度，而且還可減少LED花在由0到目標所需的時(shí)間。(在此條件下，并不保證主波長(cháng)或CCT與目標值相同)在這里的標準開(kāi)關(guān)穩壓器將設有一個(gè)軟啟動(dòng)，通常也搭配一個(gè)軟關(guān)閉，而專(zhuān)用的LED驅動(dòng)器會(huì )在其控制之內執行所有工作以減少這些回轉率(Slew Rate)。要降低tSU和tSD，須要同時(shí)從硅芯片的設計和開(kāi)關(guān)穩壓器所采用的拓撲著(zhù)手。

　　具備較快速回轉率的降壓穩壓器，比其他所有的開(kāi)關(guān)拓撲結構在兩個(gè)地方表現更為優(yōu)異，首先降壓穩壓器是唯一可在控制開(kāi)關(guān)啟動(dòng)時(shí)，將功率輸送到輸出端的開(kāi)關(guān)轉換器，此特點(diǎn)使得電壓模式或電流模式PWM(這里不要與PWM調光混淆)的降壓穩壓器之控制回路，比起升壓穩壓器或其他降壓/升壓拓撲更為快速。此外，在控制開(kāi)關(guān)啟動(dòng)期間的功率傳輸能夠輕易改為磁滯控制，使其速度甚至比最佳的電壓模式或電流模式控制的回路更快。其次，降壓穩壓器的電感器在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內都是連接在輸出端，此可確保輸出電流的連續性，也意謂毋須使用輸出電容器。少了輸出電容器后，降壓穩壓器便可成為真正的高阻抗電流源，能夠迅速轉換輸出電壓。邱克型(Cuk)和Zeta轉換器雖可提供連續性輸出電感器，但由于它們的控制回路較慢，效率也較低，因此并非最佳選擇。

　　PWM比“啟動(dòng)”接腳更快

　　即使是一個(gè)沒(méi)有輸出電容器的純磁滯降壓穩壓器，都不足以應付某些PWM調光系統的要求，這些應用需要較高的PWM調光頻率、高對比度度，也就是要求更快速的回轉率和更短暫的延遲時(shí)間。與機械視覺(jué)辨識和工業(yè)檢驗系統搭配應用時(shí)，舉例某些要求高性能的系統，包括液晶(LCD)面板和投影機的背光照明系統，在某些情況下，PWM調光頻率必須被調高到可聽(tīng)頻帶以外的25kHz或更高的頻帶，隨著(zhù)整體的調光周期已縮短至幾微秒內，包括傳導延遲在內，LED電流的上升和下降時(shí)間總和必須縮短至奈秒內。

　　從一個(gè)沒(méi)有輸出電容器的快速降壓穩壓器著(zhù)手，出現在輸出電流開(kāi)啟和關(guān)閉的延遲，是來(lái)自集成電路本身的傳導延遲和輸出電感器的物理特性。若要達到真正高速的PWM調光，兩個(gè)延遲都須被略過(guò)(By Pass)。要實(shí)現這個(gè)目標，最佳方法就是采用一個(gè)與LED并聯(lián)的電源開(kāi)關(guān)(圖3)。當LED關(guān)閉時(shí)，驅動(dòng)電流便會(huì )分流通過(guò)開(kāi)關(guān)，作用就如同一個(gè)典型的N型金屬氧化半導體場(chǎng)效晶體管(N-MOSFET)，這時(shí)集成電路會(huì )繼續運行，而電感器電流也會(huì )持續流動(dòng)。該方法的最大缺點(diǎn)在于LED關(guān)閉時(shí)，即使期間的輸出電壓下降到與電流感測電壓相同，仍會(huì )浪費功率。

　　圖3分路FET電路和其波形