詳解LED PWM調(diào)光技術(shù)及設計注意點

　　無論LED是經(jīng)由降壓、升壓、降壓/升壓或線性穩(wěn)壓器驅(qū)動，連接每一個驅(qū)動電路最常見的線程就是須要控制光的輸出?，F(xiàn)今僅有很少數(shù)的應用只需要開和關(guān)的簡單功能，絕大多數(shù)都需要從0～100%去微調(diào)亮度。目前，針對亮度控制方面，主要的兩種解決方案為線性調(diào)節(jié)LED的電流(模擬調(diào)光)或在肉眼無法察覺的高頻下，讓驅(qū)動電流從0到目標電流值之間來回切換(數(shù)字調(diào)光)。利用脈沖寬度調(diào)變(PWM)來設定循環(huán)和工作周期可能是實現(xiàn)數(shù)字調(diào)光的最簡單的方法，原因是相同的技術(shù)可以用來控制大部分的開關(guān)轉(zhuǎn)換器。

　　PWM調(diào)光能調(diào)配準確色光

　　一般來說，模擬調(diào)光比較容易實行，這是因為LED驅(qū)動器的輸出電流變化與控制電壓成比例，而且模擬調(diào)光也不會引發(fā)額外的電磁兼容性(EMC)/電磁干擾(EMI)潛在頻率問題。然而，大部分設計采用PWM調(diào)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(qū)動電流的大小成比例(圖1)。對于單色LED來說，主要光波的波長會發(fā)生變化，而在白光LED方面，出現(xiàn)變化的是相對色溫(CCT)。對于人們的肉眼來說，很難察覺出紅、綠或藍光LED中的奈米波長變化，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出來。大多數(shù)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放射出各種可見光范圍內(nèi)的光子。在較小的電流下，磷光會成為主導并使光線偏向黃色;而在較大電流下，LED放射出來的藍光則較多，使得光線偏向藍色，同時也會產(chǎn)生較高的CCT.對于使用超過一個白光LED的應用，在兩個相鄰LED之間出現(xiàn)的CCT差異會很明顯，且視覺令人不悅，此概念可以進一步延伸將多個單色LED光線混和在一起的光源。一旦超過一個光源，任何出現(xiàn)在它們之間的CCT差異都會令人感到刺眼。

　　圖1采用PWM調(diào)光的LED驅(qū)動器及波形

　　LED制造商會在其產(chǎn)品的電流特性表中指定驅(qū)動電流的大小，其只會在這些特定電流條件下對產(chǎn)品的主波長或CCT提供保證。PWM調(diào)光的優(yōu)點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混和以產(chǎn)生白光。

　　從驅(qū)動器集成電路的角度看，模擬調(diào)光面臨著輸出電流準確性的嚴峻挑戰(zhàn)。幾乎所有的LED驅(qū)動器都在輸出端加入某種形式的串行電阻來偵測電流，而所選用的電流感測電壓VSNS會產(chǎn)生一個協(xié)調(diào)作用，使電路能保持高信號信噪比(SNR)，同時維持低功耗，由驅(qū)動器中的容限度、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(tǒng)中降低輸出電流，就必須要調(diào)降VSNS，但如此一來，輸出電流的準確性便會下降，直至VSNS的絕對值等于誤差電壓為止，最后，輸出電流會變得無法控制，目標輸出電流將不能被確定或保證。一般來說，PWM調(diào)光除了可以提高準確性之外，對于低階光輸出的線性控制也較模擬調(diào)光強。

　　調(diào)光頻率與對比度成反比

　　對于PWM調(diào)光信號而言，每個LED都有限定的響應時間，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(diào)光延遲

　　圖2中的時間量tD表示由邏輯信號VDIM上升開始，至LED驅(qū)動器開始增加輸出電流開始之間的傳播延遲，而時間量tSU則表示輸出電流由0轉(zhuǎn)換到目標電流所需的時間，至于時間量tSD代表輸出電流從目標電流轉(zhuǎn)換回0所需的時間。在大多數(shù)的情況下，調(diào)光頻率fDIM愈低，對比度就愈高，這是因為這些固定延遲只會占用少部分的調(diào)光周期TDIM.調(diào)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可見的連續(xù)光線。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間的倒數(shù)。

　　CR=1 / tON-MIN：1

　　tON-MIN=tD+tSU

　　機械視覺辨識和工業(yè)檢驗等應用通常都需要較高的PWM調(diào)光頻率，主因為高速攝影機和傳感器的反應速度比人類眼睛快很多。在這類應用中，對于LED光源進行高速開和關(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間進行同步化。

　　利用開關(guān)穩(wěn)壓器來調(diào)光

　　為了達到每秒開關(guān)數(shù)百次或甚至數(shù)千次，以開關(guān)穩(wěn)壓器為基礎的LED驅(qū)動器，須經(jīng)過特別的設計考慮。針對標準電源供應而設計的穩(wěn)壓器一般都會設計一根“啟動”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，這是由于硅芯片的設計強調(diào)在響應時間內(nèi)維持低停機電流。然而，專用來驅(qū)動LED的開關(guān)穩(wěn)壓器則恰好相反，它可在「啟動」接腳邏輯低時，保持內(nèi)部控制電路的活動，以將tD減至最低，而當LED被關(guān)關(guān)時，則會面臨較大工作電流的困擾。

　　在使用PWM來達成光控制優(yōu)化時，要把轉(zhuǎn)上(Slew-up)和轉(zhuǎn)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到目標所需的時間。(在此條件下，并不保證主波長或CCT與目標值相同)在這里的標準開關(guān)穩(wěn)壓器將設有一個軟啟動，通常也搭配一個軟關(guān)閉，而專用的LED驅(qū)動器會在其控制之內(nèi)執(zhí)行所有工作以減少這些回轉(zhuǎn)率(Slew Rate)。要降低tSU和tSD，須要同時從硅芯片的設計和開關(guān)穩(wěn)壓器所采用的拓撲著手。

　　具備較快速回轉(zhuǎn)率的降壓穩(wěn)壓器，比其他所有的開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)在兩個地方表現(xiàn)更為優(yōu)異，首先降壓穩(wěn)壓器是唯一可在控制開關(guān)啟動時，將功率輸送到輸出端的開關(guān)轉(zhuǎn)換器，此特點使得電壓模式或電流模式PWM(這里不要與PWM調(diào)光混淆)的降壓穩(wěn)壓器之控制回路，比起升壓穩(wěn)壓器或其他降壓/升壓拓撲更為快速。此外，在控制開關(guān)啟動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(wěn)壓器的電感器在整個開關(guān)周期內(nèi)都是連接在輸出端，此可確保輸出電流的連續(xù)性，也意謂毋須使用輸出電容器。少了輸出電容器后，降壓穩(wěn)壓器便可成為真正的高阻抗電流源，能夠迅速轉(zhuǎn)換輸出電壓。邱克型(Cuk)和Zeta轉(zhuǎn)換器雖可提供連續(xù)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”接腳更快

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

　　從一個沒有輸出電容器的快速降壓穩(wěn)壓器著手，出現(xiàn)在輸出電流開啟和關(guān)閉的延遲，是來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(diào)光，兩個延遲都須被略過(By Pass)。要實現(xiàn)這個目標，最佳方法就是采用一個與LED并聯(lián)的電源開關(guān)(圖3)。當LED關(guān)閉時，驅(qū)動電流便會分流通過開關(guān)，作用就如同一個典型的N型金屬氧化半導體場效晶體管(N-MOSFET)，這時集成電路會繼續(xù)運行，而電感器電流也會持續(xù)流動。該方法的最大缺點在于LED關(guān)閉時，即使期間的輸出電壓下降到與電流感測電壓相同，仍會浪費功率。

　　圖3分路FET電路和其波形