PWM实现精准LED调光

PWM实现精准LED调光

加速调光频率 PWM实现精准LED调光无论LED是经由降压、升压、降压/升压或线性稳压器驱动，连接每一个驱动电路最常见的线程就是须要控制光的输出。现今仅有很少数的应用只需要开和关的简单功能，绝大多数都需要从0～100%去微调亮度。目前，针对亮度控制方面，主要的两种解决方案为线性调节LED的电流(模拟调光)或在肉眼无法察觉的高频下，让驱动电流从0到目标电流值之间来回切换(数字调光)。利用脉冲宽度调变(PWM)来设定循环和工作周期可能是实现数字调光的最简单的方法，原因是相同的技术可以用来控制大部分的开关转换器。

无论LED是经由降压、升压、降压/升压或线性稳压器驱动，连接每一个驱动电路最常见的线程就是须要控制光的输出。现今仅有很少数的应用只需要开和关的简单功能，绝大多数都需要从0～100%去微调亮度。目前，针对亮度控制方面，主要的两种解决方案为线性调节LED的电流(模拟调光)或在肉眼无法察觉的高频下，让驱动电流从0到目标电流值之间来回切换(数字调光)。利用脉冲宽度调变(PWM)来设定循环和工作周期可能是实现数字调光的最简单的方法，原因是相同的技术可以用来控制大部分的开关转换器。

一、PWM调光能调配准确色光

一般来说，模拟调光比较容易实行，这是因为LED驱动器的输出电流变化与控制电压成比

例，而且模拟调光也不会引发额外的电磁兼容性(EMC)/电磁干扰(EMI)潜在频率问题。然而，大部分设计采用PWM调光的理由都是基于LED的基本特性，即放射光的位移是与平均驱动电流的大小成比例(图1)。对于单色LED来说，主要光波的波长会发生变化，而在白光LED方面，出现变化的是相对色温(CCT)。对于人们的肉眼来说，很难察觉出红、绿或蓝光LED中的奈米波长变化，尤其是当光的强度也同样在改变，但是白光的色温变化则比较容易察觉出来。大多数的白光LED都包含一片可放射出蓝光频谱光子的晶圆，这些光子在撞击磷光涂层后便会放射出各种可见光范围内的光子。在较小的电流下，磷光会成为主导并使光线偏向黄色;而在较大电流下，LED 放射出来的蓝光则较多，使得光线偏向蓝色，同时也会产生较高的CCT。对于使用超过一个白光LED的应用，在两个相邻LED之间出现的CCT差异会很明显，且视觉令人不悦，此概念可以进一步延伸将多个单色LED光线混和在一起的光源。一旦超过一个光源，任何出现在它们之间的CCT 差异都会令人感到刺眼。

图1 采用PWM调光的LED驱动器及波形

LED制造商会在其产品的电流特性表中指定驱动电流的大小，其只会在这些特定电流条件下对产品的主波长或CCT提供保证。PWM调光的优点在于完全毋须考虑光的强弱，也能确保LED放射出设计人员所需的颜色。这种精确的控制对于红绿蓝(RGB)应用尤其重要，因为这些应用是将不同颜色的光线混和以产生白光。

从驱动器集成电路的角度看，模拟调光面临着输出电流准确性的严峻挑战。几乎所有的LED 驱动器都在输出端加入某种形式的串行电阻来

侦测电流，而所选用的电流感测电压VSNS会产生一个协调作用，使电路能保持高讯号讯噪比(SNR)，同时维持低功耗，由驱动器中的容限度、

降低平均的光输出量，而是要将光输出与传感器或摄影机的捕捉时间进行同步化。

三、利用开关稳压器来调光

为了达到每秒开关数百次或甚至数千次，以开关稳压器为基础的LED驱动器，须经过特别的设计考虑。针对标准电源供应而设计的稳压器一般都会设计一根「启动」或关闭接脚，以便供逻辑PWM讯号使用，但连带的延迟tD则颇长，这是由于硅芯片的设计强调在响应时间内维持低

停机电流。然而，专用来驱动LED的开关稳压器则恰好相反，它可在「启动」接脚逻辑低时，保持内部控制电路的活动，以将tD减至最低，而当LED被关关时，则会面临较大工作电流的困扰。

在使用PWM来达成光控制优化时，要把转上(Slew-up)和转下(Slew-down)延迟维持在最低，这不单为了获得最佳的对比度，而且还可减少LED花在由0到目标所需的时间。(在此条件下，并不保证主波长或CCT与目标值相同)在这里的标准开关稳压器将设有一个软启动，通常也搭配一个软关闭，而专用的LED驱动器会在其控制之

内执行所有工作以减少这些回转率(Slew Rate)。要降低tSU和tSD，须要同时从硅芯片的设计和开关稳压器所采用的拓扑着手。

具备较快速回转率的降压稳压器，比其他所有的开关拓扑结构在两个地方表现更为优异，首先降压稳压器是唯一可在控制开关启动时，将功率输送到输出端的开关转换器，此特点使得电压模式或电流模式PWM(这里不要与PWM调光混淆)的降压稳压器之控制回路，比起升压稳压器或其他降压/升压拓扑更为快速。此外，在控制开关启动期间的功率传输能够轻易改为磁滞控制，使其速度甚至比最佳的电压模式或电流模式控制的回路更快。其次，降压稳压器的电感器在整个开关周期内都是连接在输出端，此可确保输出电流的连续性，也意谓毋须使用输出电容器。少了输出电容器后，降压稳压器便可成为真正的高阻抗电流源，能够迅速转换输出电压。邱克型(Cuk)和Zeta转换器虽可提供连续性输出电感器，但由于它们的控制回路较慢，效率也较低，因此并非最佳选择。

四、PWM比“启动”接脚更怏

即使是一个没有输出电容器的纯磁滞降压

稳压器，都不足以应付某些PWM调光系统的要求，这些应用需要较高的PWM调光频率、高对比度度，也就是要求更快速的回转率和更短暂的延迟时间。与机械视觉辨识和工业检验系统搭配应用时，举例某些要求高性能的系统，包括液晶(LCD)面板和单枪投影机的背光照明系统，在某些情况下，PWM调光频率必须被调高到可听频带以外的25kHz或更高的频带，随着整体的调光周期已缩短至几微秒内，包括传导延迟在内，LED 电流的上升和下降时间总和必须缩短至奈秒内。

从一个没有输出电容器的快速降压稳压器

着手，出现在输出电流开启和关闭的延迟，是来自集成电路本身的传导延迟和输出电感器的物

理特性。若要达到真正高速的PWM调光，两个延迟都须被略过(By Pass)。要实现这个目标，最佳方法就是采用一个与LED并联的电源开关(图3)。当LED关闭时，驱动电流便会分流通过开关，作用就如同一个典型的N型金属氧化半导体场

效晶体管(N-MOSFET)，这时集成电路会继续运行，而电感器电流也会持续流动。该方法的最大