PWM調(diào)光技術(shù)詳解

PWM調(diào)光是一種利用簡(jiǎn)單的數(shù)字脈沖，反復(fù)開(kāi)關(guān)白光 LED驅(qū)動(dòng)器的調(diào)光技術(shù)。應(yīng)用者的系統(tǒng)只需要提供寬、窄不同的數(shù)字式脈沖，即可簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)改變輸出電流，從而調(diào)節(jié)白光 LED 的亮度。PWM 調(diào)光的優(yōu)點(diǎn)在于能夠提供高質(zhì)量的白光，以及應(yīng)用簡(jiǎn)單，效率高！例如在手機(jī)的系統(tǒng)中，利用一個(gè)專用 PWM 接口可以簡(jiǎn)單的產(chǎn)生任意占空比的脈沖信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)一個(gè)電阻，連接到驅(qū)動(dòng)器的 EN 接口。多數(shù)廠商的驅(qū)動(dòng)器都支持PWM 調(diào)光。

　　不管用Buck, Boost, Buck-Boost還是線性調(diào)節(jié)器來(lái)驅(qū)動(dòng)LED，它們的共同思路都是用驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制光的輸出。一些應(yīng)用只是簡(jiǎn)單地來(lái)實(shí)現(xiàn)“開(kāi)”和“關(guān)”地功能，但是更多地應(yīng)用需求是要從0到100%調(diào)節(jié)光的亮度，而且經(jīng)常要有很高的精度。設(shè)計(jì)者主要有兩個(gè)選擇：線性調(diào)節(jié)LED電流（模擬調(diào)光），或者使用開(kāi)關(guān)電路以相對(duì)于人眼識(shí)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(shù)字調(diào)光）。使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）來(lái)設(shè)置周期和占空度（圖1）可能是最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)光的方法，并且Buck調(diào)節(jié)器拓?fù)渫軌蛱峁┮粋€(gè)最好的性能。

圖1：使用PWM調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)及其波形

　　推薦的PWM調(diào)光

　　模擬調(diào)光通常可以很簡(jiǎn)單的來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們可以通過(guò)一個(gè)控制電壓來(lái)成比例地改變LED驅(qū)動(dòng)的輸出。模擬調(diào)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(shù)設(shè)計(jì)中要使用PWM調(diào)光，這是由于LED的一個(gè)基本性質(zhì)：發(fā)射光的特性要隨著平均驅(qū)動(dòng)電流而偏移。對(duì)于單色LED來(lái)說(shuō)，其主波長(zhǎng)會(huì)改變。對(duì)白光LED來(lái)說(shuō)，其相關(guān)顏色溫度（CCT）會(huì)改變。對(duì)于人眼來(lái)說(shuō)，很難察覺(jué)到紅、綠或藍(lán)LED中幾納米波長(zhǎng)的變化，特別是在光強(qiáng)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(cè)的。

　　大多數(shù)LED包含一個(gè)發(fā)射藍(lán)光譜光子的區(qū)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(dǎo)，光趨近于黃色。高電流的時(shí)候，LED藍(lán)光占主導(dǎo)，光呈現(xiàn)藍(lán)色，從而達(dá)到了一個(gè)高CCT。當(dāng)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(yīng)用里，混合多個(gè)單色LED也會(huì)存在同樣的問(wèn)題。當(dāng)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(qū)動(dòng)電流，這樣就能保證只以這些特定驅(qū)動(dòng)電流來(lái)產(chǎn)生的光波長(zhǎng)或CCT。用PWM調(diào)光保證了LED發(fā)出設(shè)計(jì)者需要的顏色，而光的強(qiáng)度另當(dāng)別論。這種精細(xì)控制在RGB應(yīng)用中特別重要，以混合不同顏色的光來(lái)產(chǎn)生白光。

　　從驅(qū)動(dòng)IC的前景來(lái)看，模擬調(diào)光面臨著一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，這就是輸出電流精度。幾乎每個(gè)LED驅(qū)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(qū)動(dòng)中的容差、偏移和延遲導(dǎo)致了一個(gè)相對(duì)固定的誤差。要在一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)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(duì)于模擬調(diào)光，PWM調(diào)光可以提高精度，線性控制光輸出到更低級(jí)。

　　調(diào)光頻率VS對(duì)比度

　　LED驅(qū)動(dòng)對(duì)PWM調(diào)光信號(hào)的不可忽視的回應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生了一個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題。這里主要有三種主要延遲（圖2）。這些延遲越長(zhǎng)，可以達(dá)到的對(duì)比度就越低（光強(qiáng)的控制尺度）。

圖2：調(diào)光延遲

　　如圖所示，tn表示從時(shí)間邏輯信號(hào)VDIM提升到足以使LED驅(qū)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(biāo)級(jí)所需要的時(shí)間，相反，tsn是輸出電流從目標(biāo)級(jí)下降到零所需要的時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，調(diào)光頻率（fDIM）越低，對(duì)比度越高，這是因?yàn)檫@些固定延遲消耗了一小部分的調(diào)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(xù)的光。另外，上限是由達(dá)到最小對(duì)比度來(lái)確定的。

　　對(duì)比度通常由最小脈寬值的倒數(shù)來(lái)表示：

CR = 1 / tON-MIN : 1

　　這里tON-MIN = tD + tSU。在機(jī)器視覺(jué)和工業(yè)檢驗(yàn)應(yīng)用中常常需要更高的PWM調(diào)光頻率，因?yàn)楦咚傧鄼C(jī)和傳感器需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于人眼的反應(yīng)時(shí)間。在這種應(yīng)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(qiáng)度，而是為了使輸出光與傳感器和相機(jī)時(shí)間同步。