【技術(shù)】模擬/PWM調(diào)光搭配得宜 LED照明色彩更繽紛

類比式LED調(diào)光設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且成本低，但不適合需要穩(wěn)定色溫的應(yīng)用；數(shù)位式PWM調(diào)光色溫控制較佳，但須搭配MCU，增加系統(tǒng)成本。設(shè)計(jì)人員應(yīng)考量應(yīng)用需求，選擇最適合的調(diào)光方案，方能達(dá)到理想的LED照明色彩及亮度。

　　在建筑、區(qū)域與崁燈等照明應(yīng)用中，色彩準(zhǔn)確度非常重要，而發(fā)光二極體(LED)很適合提供準(zhǔn)確色彩。LED顏色可隨著混合紅、藍(lán)、綠、黃、白等各色而異；當(dāng)多種色彩混合時(shí)，亮度必須調(diào)整。本文針對(duì)多種LED混色的調(diào)光技巧進(jìn)行介紹。

　　準(zhǔn)確頻道亮度調(diào)控　LED實(shí)現(xiàn)豐富色彩

　　每顆LED晶體只能發(fā)出單色光，若希望創(chuàng)造其他色彩，可運(yùn)用紅、綠、藍(lán)三原色的LED燈混合，只要切換紅、綠、藍(lán)LED頻道，即可產(chǎn)生七種基本色彩(紅、綠、藍(lán)、黃、紫、淺綠、白)。

　　如果需要更豐富的色彩，只須控制三原色的LED燈光亮度，就能產(chǎn)生眾多色彩，包括調(diào)整各LED頻道的亮度，并控制通過(guò)各LED串的電流調(diào)控明暗。改變LED白光燈的色溫時(shí)，通常調(diào)整紅色與白色的LED串即可。

　　調(diào)整LED明暗共有兩種基本方式：類比(Analog)與脈沖寬度調(diào)變(PWM)。兩者都是藉由安裝開(kāi)關(guān)模式或線性LED驅(qū)動(dòng)器，控制通過(guò)LED串的平均電流，以改變LED的亮度。

　　圖1為雙串LED驅(qū)動(dòng)器，其中包括一個(gè)降壓切換器與一個(gè)線性穩(wěn)壓器。兩個(gè)LED串均可選擇類比或PWM，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，多數(shù)應(yīng)用是依據(jù)混色表現(xiàn)需求選擇調(diào)整方式。

　　圖1　雙串可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器，包含一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器與一個(gè)線性穩(wěn)壓器。

　　類比調(diào)光須掌握電流變化幅度

　　LED類比調(diào)光是藉由控制通過(guò)LED串的恒電流，達(dá)到調(diào)整明暗效果，可控制晶片內(nèi)的LED電流參考電壓，或是控制晶片外的LED電流感測(cè)電壓。

　　大多數(shù)的LED驅(qū)動(dòng)器，其內(nèi)部包括切換穩(wěn)壓器與線性穩(wěn)壓器，其中的LED電流高低由公式1決定：

　　......公式1

　　VREF為晶片內(nèi)LED電流參考電壓，RSNS為電壓感測(cè)電阻。

　　藉著改變VREF可調(diào)整LED電流。有些LED驅(qū)動(dòng)器晶片并不允許使用者改變LED電流參考電壓，而在允許改變LED電流參考的晶片里，通常有兩種改變方式：一是在晶片提供的參考電壓調(diào)整接腳上加入類比電壓；二為透過(guò)I2C等數(shù)位通訊介面調(diào)整參考電壓，以圖1為例，可藉由I2C的指令調(diào)整LED電流參考電壓。

　　另一種類比調(diào)光方式為改變LED電流感測(cè)電壓。多數(shù)應(yīng)用的電流感測(cè)電阻低于1歐姆(ohm)，也因此，沒(méi)有必要使用電位計(jì)來(lái)改變電流感測(cè)電阻，藉由在晶片的電流感測(cè)接腳上，再加入外部直流電壓即可達(dá)成效果。圖2所呈現(xiàn)的是改變電流感測(cè)電壓，其典型類比調(diào)光線路，CS接腳的電壓則可參考下列公式2：

　　圖2　類比調(diào)光線路范例

　　......公式2

　　在穩(wěn)定的狀態(tài)下，CS接腳電壓會(huì)與參考電壓相等。透過(guò)調(diào)整外部的直流電壓，或是調(diào)整可變電阻R2值，即可以改變LED電流。

　　在混色應(yīng)用中使用類比調(diào)光將會(huì)發(fā)現(xiàn)一項(xiàng)缺點(diǎn)，此即由于LED色溫會(huì)隨電流變化，如果類比調(diào)光電流改變較大，LED亮度與顏色可能也會(huì)生變，導(dǎo)致無(wú)法產(chǎn)生理想色彩。

　　PWM調(diào)光色溫控制精準(zhǔn)

　　PWM調(diào)光是以固定循環(huán)周期，以及頻率開(kāi)關(guān)LED來(lái)決定，其調(diào)光的LED電流計(jì)算可參考下列公式3：

　　......公式3

　　IDIM為調(diào)光后的LED電流，D為PWM調(diào)光訊號(hào)的周期循環(huán)，ILED則為無(wú)調(diào)光的LED電流。

　　LED PWM調(diào)光頻率通常高于200Hz，肉眼無(wú)法察覺(jué)。許多LED驅(qū)動(dòng)器晶片均具備PWM調(diào)光輸入接腳，可接收微控制器(MCU)產(chǎn)生的PWM調(diào)光輸入訊號(hào)。通常只有PWM調(diào)光訊號(hào)變?nèi)鯐r(shí)，驅(qū)動(dòng)器晶片才會(huì)關(guān)閉金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體(MOSFET)驅(qū)動(dòng)器；等到訊號(hào)轉(zhuǎn)強(qiáng)，MOSFET驅(qū)動(dòng)器又會(huì)開(kāi)啟；此外，內(nèi)部線路在PWM調(diào)光循環(huán)關(guān)閉時(shí)仍繼續(xù)運(yùn)作，避免晶片必須重新啟動(dòng)，造成PWM調(diào)光上升緣延遲。

　　在開(kāi)關(guān)模式LED驅(qū)動(dòng)器中，電容通常會(huì)放在LED串之中，過(guò)濾高頻率切換雜訊，亦可減緩PWM調(diào)光LED電流的升降緣。因此，高頻率低循環(huán)PWM調(diào)光應(yīng)用必須移除電容。圖3呈現(xiàn)LED降壓穩(wěn)壓器無(wú)輸出電容的PWM調(diào)光波形。

　　圖3　PWM調(diào)光LED電流波形

　　類比至PWM調(diào)光具過(guò)熱保護(hù)功能

　　有些LED驅(qū)動(dòng)器晶片具備「類比至PWM調(diào)光」功能，晶片調(diào)光接腳接收類比訊號(hào)后，轉(zhuǎn)換為PWM調(diào)光訊號(hào)。PWM調(diào)光頻率固定，且循環(huán)周期與輸入類比訊號(hào)級(jí)成比例。

　　照明應(yīng)用里若無(wú)MCU，則類比至PWM調(diào)光方案助益極大。類比至PWM調(diào)光設(shè)計(jì)可發(fā)揮過(guò)熱保護(hù)功能，如果LED板地溫度超過(guò)設(shè)定值，PWM調(diào)光便可以降低LED電流。

　　分流FET PWM調(diào)光適用于高頻率

　　分流FET PWM調(diào)光通常用于極高頻率的LED PWM調(diào)光。圖4呈現(xiàn)以降壓穩(wěn)壓器為基礎(chǔ)的分流FET PWM調(diào)光線路，外部分流FET擺放位置與LED串平行，以迅速繞過(guò)轉(zhuǎn)換器輸出電流；當(dāng)分流FET開(kāi)啟時(shí)，LED串關(guān)閉，反之亦然。所以，LED串透過(guò)分流FET達(dá)到有效的PWM調(diào)光。有些LED驅(qū)動(dòng)器晶片提供MOSFET驅(qū)動(dòng)器，做為分流FET PWM調(diào)光之用，故不需外部MOSFET驅(qū)動(dòng)器。

　　圖4　分流FET PWM調(diào)光范例

　　在分流FET PWM調(diào)光過(guò)程中，切換穩(wěn)壓器的電感電流維持不變，電感電流升降不會(huì)造成延遲。若具備功能強(qiáng)大的MOSFET驅(qū)動(dòng)器，分流FET能以極高速開(kāi)關(guān)，故PWM調(diào)光的LED電流升降緣相當(dāng)尖銳。分流FET PWM調(diào)光很適合高頻率PWM調(diào)光應(yīng)用。

　　理想LED照明有賴多方考量

　　在LED混色應(yīng)用中，調(diào)光對(duì)達(dá)成理想色彩及亮度相當(dāng)重要。LED調(diào)光方式眾多，主要有類比調(diào)光與PWM調(diào)光兩種。類比調(diào)光使用的線路較簡(jiǎn)單，成本較低，也適合無(wú)MCU的系統(tǒng)，但并不適合需要穩(wěn)定色溫的應(yīng)用；另一方面，PWM調(diào)光能減少LED電流變化造成的色差，故可達(dá)到相當(dāng)精準(zhǔn)的色溫，但PWM調(diào)光一般需要微處理器產(chǎn)生輸入數(shù)位訊號(hào)，因此提高系統(tǒng)成本。