PWM調光在LED驅動中的設計詳解

文章來源:恒光電器

發布時間:2014-01-22

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 不管你用Buck， Boost， Buck-Boost還是線性調節器來驅動LED，它們的共同思路都是用驅動電路來控制光的輸出。設計者主要有兩個選擇：線性調節LED電流（模擬調光），或者使用開關電路以相對于人眼識別力來說足夠高的頻率工作來改變光輸出的平均值（數字調光）。使用脈沖寬度調制（PWM）來設置周期和占空度可能是最簡單的實現數字調光的方法，并且Buck調節器拓撲往往能夠提供一個最好的性能。

　　一些應用只是簡單地來實現“開”和“關”地功能，但是更多地應用需求是要從0到100%調節光的亮度，而且經常要有很高的精度。

　　設計者主要有兩個選擇：線性調節LED電流（模擬調光），或者使用開關電路以相對于人眼識別力來說足夠高的頻率工作來改變光輸出的平均值（數字調光）。使用脈沖寬度調制（PWM）來設置周期和占空度（圖1）可能是最簡單的實現數字調光的方法，并且Buck調節器拓撲往往能夠提供一個最好的性能。

　　推薦的PWM調光

　　模擬調光通常可以很簡單的來實現。我們可以通過一個控制電壓來成比例地改變led驅動的輸出。模擬調光不會引入潛在的電磁兼容/電磁干擾（EMC/EMI）頻率。然而，在大多數設計中要使用PWM調光，這是由于LED的一個基本性質：發射光的特性要隨著平均驅動電流而偏移。

　　對于單色LED來說，其主波長會改變。對白光LED來說，其相關顏色溫度（CCT）會改變。對于人眼來說，很難察覺到紅、綠或藍LED中幾納米波長的變化，特別是在光強也在變化的時候。但是白光的顏色溫度變化是很容易檢測的。

　　大多數LED包含一個發射藍光譜光子的區域，它透過一個磷面提供一個寬幅可見光。低電流的時候，磷光占主導，光趨近于黃色。高電流的時候，LED藍光占主導，光呈現藍色，從而達到了一個高CCT。當使用一個以上的白光LED的時候，相鄰LED的CCT的不同會很明顯也是不希望發生的。同樣延伸到光源應用里，混合多個單色LED也會存在同樣的問題。當我們使用一個以上的光源的時候，LED中任何的差異都會被察覺到。

　　LED生產商在他們的產品電氣特性表中特別制定了一個驅動電流，這樣就能保證只以這些特定驅動電流來產生的光波長或CCT。用PWM調光保證了LED發出設計者需要的顏色，而光的強度另當別論。這種精細控制在RGB應用中特別重要，以混合不同顏色的光來產生白光。

　　從驅動IC的前景來看，模擬調光面臨著一個嚴峻的挑戰，這就是輸出電流精度。幾乎每個LED驅動都要用到某種串聯電阻來辨別電流。電流辨別電壓（VSNS）通過折衷低能耗損失和高信噪比來選定。驅動中的容差、偏移和延遲導致了一個相對固定的誤差。要在一個閉環系統中降低輸出電流就必須降低VSNS。這樣就會反過來降低輸出電流的精度，最終，輸出電流無法指定、控制或保證。通常來說，相對于模擬調光，PWM調光可以提高精度，線性控制光輸出到更低級。

　　調光頻率VS對比度

　　LED驅動對PWM調光信號的不可忽視的回應時間產生了一個設計問題。這里主要有三種主要延遲（圖2）。這些延遲越長，可以達到的對比度就越低（光強的控制尺度）。

　　如圖所示，tn表示從時間邏輯信號VDIM提升到足以使LED驅動開始提高輸出電流的時候的過渡延遲。另外，tsu輸出電流從零提升到目標級所需要的時間，相反，tsn是輸出電流從目標級下降到零所需要的時間。一般來說，調光頻率（fDIM）越低，對比度越高，這是因為這些固定延遲消耗了一小部分的調光周期（TDIM）。fDIM的下限大概是120Hz，低于這個下限，肉眼就不會再把脈沖混合成一個感覺起來持續的光。另外，上限是由達到最小對比度來確定的。

　　對比度通常由最小脈寬值的倒數來表示：

　　CR = 1 / tON-MIN ：1

　　這里tON-MIN = tD + tSU。在機器視覺和工業檢驗應用中常常需要更高的PWM調光頻率，因為高速相機和傳感器需要遠遠快于人眼的反應時間。在這種應用中，led光源的快速開通和關閉的目的不是為了降低輸出光的平均強度，而是為了使輸出光與傳感器和相機時間同步。

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