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1、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0100%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。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
2、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
3、，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。宀A LT rrm_ UuHV|N丄400 kHzLM3404伽CMV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
4、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、偏移和延迟所引致的误差则相 对保持固定。要在封闭回路系统中降低输出电流，就必须要调降VSNS，但如此 一来，输出电流的准确性便会下降，直至VSNS的绝对值等于误差电压为止，最 后，输
5、出电流会变得无法控制，目标输出电流将不能被确定或保证。一般来说， PWM调光除了可以提高准确性之外，对于低阶光输出的线性控制也较模拟调光 强。调光频率与对比度成反比对于PWM调光讯号而言，每个LED都有限定的响应时间，图2表示三种不同 的延迟，延迟愈大者表示能达到的对比度就愈低(对光强度控制的一种测量方 法)。图2调光延迟图2中的时间量tD表示由逻辑讯号VDIM上升开始，至LED驱动器开始增加 输出电流开始之间的传播延迟，而时间量tSU则表示输出电流由0转换到目标电 流所需的时间，至于时间量tSD代表输出电流从目标电流转换回0所需的时间。 在大多数的情况下，调光频率fDIM愈低，对比度就愈高，
6、这是因为这些固定延 迟只会占用少部分的调光周期TDIM。调光频率fDIM的下限约为120Hz，假如低 于此频率，眼睛便不能再将脉冲混和成一个可见的连续光线。至于上限则取决于 最低对比度的要求，对比度一般被表示成最低导通时间的倒数。半导体弗明网J 5卜卜皿:1%mi-mjn =站十七列机械视觉辨识和工业检验等应用通常都需要较高的PWM调光频率，主因为高 速摄影机和传感器的反应速度比人类眼睛快很多。在这类应用中，对于LED光源 进行高速开和关的目的不是要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。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
7、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
8、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
9、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。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
10、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或更高半导体照明网的频带，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
11、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 最大缺点在于LED关闭时，即使期间的输出电压下降到与电流感测电压相同，仍 会浪费功率。图3分路FET电路和其波形利用分路场效应晶体管(FET)来进行调光会导致输出电压出现急遽的移位， 这使得集成电路的控制回路必须作出响应，以尝试维持输出电流的稳定。正如同 逻辑接脚调光般，控制回路愈快表示响应愈好，而采用磁滞控制的降压稳压器则 可提供最佳的回应。利用升压和降压/升压实现快速的PWM调光无论是升压稳压器或任何类型的降压/升压拓扑都不太适合用在PWM调光。 在开始设计的时候，会发觉两者在连续导通模式
12、(CCM)下都会展现一个右半平面 零点(Right-half Plane Zero)限制，这将无法达到频率稳压器所需的高控制回 路带宽要求。此外，右半平面零点的时域效应还会使系统难以磁滞方式去控制升 压或降压/升压电路；另一个使情况变得更为复杂的因素是升压稳压器不能容忍 输出电压下降到输入电压以下，这种情况会导致在输入端产生短路，使得并列 FET调光无法实行。另外，在各类的降压/升压拓扑技术中，并列FET调光仍然 窒碍难行或极难使用，主因在于它需要输出电容器(SEPIC、降压/升压和返驰式)， 又或在输出短路时会出现无法控制的输入电感器电流(Cuk和Zeta)。假如真的需要一个快速的PWM调光
13、，最佳的解决方案是采用两级系统，并以降压 稳压器作为第二级LED驱动级。不过，若尺寸空间和成本都不容许，退而求其次 的最佳选择便是图4中的串行开关。iv T-I-r-TX_.13妝QATtfiK7P15NDHSFENHDfUH5WMHqjyi*RPDAl* YdMVI图4米用串行调光开关的升压稳压器虽然LED电流可在瞬间关闭，但须仔细考虑系统的响应，这种开放电路其实 可看成一个快速的极端卸除瞬时，它还会中断回馈回路并导致稳压器的输出电压 无止境上升。因此，须要在输出和/或误差放大器加入箝位电路，以预防超载电 压所造成的损害，但由于这些箝位电路难以用外部电路的方式实现，也就是说串 行式FET调光必须配合专用升压与降压/升压LED驱动器集成电路才可使用。要有效控制LED光源，必须在开始时的设计过程就加倍小心，光源愈是精密, 须要采用PWM调光的机会就愈大，而系统设计人员也必须谨慎考虑有关LED驱动 器的拓扑结构问题。降压稳压器对PWM调光有很多优点，设计人员必须慎重考虑 输入电压和LED的排列位置。假如调光频率要求更高，回转率便要更快，如此可 更轻易在设计过程的初期改用降压稳压器来实行。半导体賜明网
