PWM調(diào)光在LED驅(qū)動中的設(shè)計詳解

　　一些應(yīng)用只是簡單地來實現(xiàn)“開”和“關(guān)”地功能，但是更多地應(yīng)用需求是要從0到100%調(diào)節(jié)光的亮度，而且經(jīng)常要有很高的精度。

　　設(shè)計者主要有兩個選擇：線性調(diào)節(jié)LED電流（模擬調(diào)光），或者使用開關(guān)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(shù)字調(diào)光）。使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）來設(shè)置周期和占空度（圖1）可能是最簡單的實現(xiàn)數(shù)字調(diào)光的方法，并且Buck調(diào)節(jié)器拓?fù)渫軌蛱峁┮粋€最好的性能。

　　推薦的PWM調(diào)光

　　模擬調(diào)光通常可以很簡單的來實現(xiàn)。我們可以通過一個控制電壓來成比例地改變LED驅(qū)動的輸出。模擬調(diào)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(shù)設(shè)計中要使用PWM調(diào)光，這是由于LED的一個基本性質(zhì)：發(fā)射光的特性要隨著平均驅(qū)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(guān)顏色溫度（CCT）會改變。對于人眼來說，很難察覺到紅、綠或藍(lán)LED中幾納米波長的變化，特別是在光強(qiáng)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(shù)LED包含一個發(fā)射藍(lán)光譜光子的區(qū)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(dǎo)，光趨近于黃色。高電流的時候，LED藍(lán)光占主導(dǎo)，光呈現(xiàn)藍(lán)色，從而達(dá)到了一個高CCT。當(dāng)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(fā)生的。同樣延伸到光源應(yīng)用里，混合多個單色LED也會存在同樣的問題。當(dāng)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(chǎn)商在他們的產(chǎn)品電氣特性表中特別制定了一個驅(qū)動電流，這樣就能保證只以這些特定驅(qū)動電流來產(chǎn)生的光波長或CCT。用PWM調(diào)光保證了LED發(fā)出設(shè)計者需要的顏色，而光的強(qiáng)度另當(dāng)別論。這種精細(xì)控制在RGB應(yīng)用中特別重要，以混合不同顏色的光來產(chǎn)生白光。

　　從驅(qū)動IC的前景來看，模擬調(diào)光面臨著一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，這就是輸出電流精度。幾乎每個LED驅(qū)動都要用到某種串聯(lián)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(qū)動中的容差、偏移和延遲導(dǎo)致了一個相對固定的誤差。要在一個閉環(huán)系統(tǒng)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(diào)光，PWM調(diào)光可以提高精度，線性控制光輸出到更低級。

　　調(diào)光頻率VS對比度

　　LED驅(qū)動對PWM調(diào)光信號的不可忽視的回應(yīng)時間產(chǎn)生了一個設(shè)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(dá)到的對比度就越低（光強(qiáng)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(qū)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(biāo)級所需要的時間，相反，tsn是輸出電流從目標(biāo)級下降到零所需要的時間。一般來說，調(diào)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(diào)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(xù)的光。另外，上限是由達(dá)到最小對比度來確定的。

　　對比度通常由最小脈寬值的倒數(shù)來表示：

　　CR = 1 / tON-MIN ：1

　　這里tON-MIN = tD + tSU。在機(jī)器視覺和工業(yè)檢驗應(yīng)用中常常需要更高的PWM調(diào)光頻率，因為高速相機(jī)和傳感器需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于人眼的反應(yīng)時間。在這種應(yīng)用中，LED光源的快速開通和關(guān)閉的目的不是為了降低輸出光的平均強(qiáng)度，而是為了使輸出光與傳感器和相機(jī)時間同步。

　　用開關(guān)調(diào)節(jié)器調(diào)光

　　基于開關(guān)調(diào)節(jié)器的LED驅(qū)動需要一些特別考慮，以便于每秒鐘關(guān)掉和開啟成百上千次。用于通常供電的調(diào)節(jié)器常常有一個開啟或關(guān)掉針腳來供邏輯電平PWM信號連接，但是與此相關(guān)的延遲（tD）常常很久。這是因為硅設(shè)計強(qiáng)調(diào)回應(yīng)時間中的低關(guān)斷電流。而驅(qū)動LED的專用開關(guān)調(diào)節(jié)則相反，當(dāng)開啟針腳為邏輯低以最小化tD時，內(nèi)部控制電路始終保持開啟，然而當(dāng)LED關(guān)斷的時候，控制電流卻很高。

　　用PWM來優(yōu)化光源控制需要最小化上升和下降延遲，這不僅是為了達(dá)到最好的對比度，而且也為了最小化LED從零到目標(biāo)電平的時間（這里主導(dǎo)光波長和CCT不能保證）。標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)調(diào)節(jié)器常常會有一個緩開和緩關(guān)的過程，但是LED專用驅(qū)動可以做所有的事情，其中包括降低信號轉(zhuǎn)換速率的控制。降低tSU 和 tSN要從硅設(shè)計和開關(guān)調(diào)節(jié)器拓?fù)鋬煞矫嫒胧帧?/p>

　　Buck調(diào)節(jié)器能夠保持快速信號轉(zhuǎn)換而又優(yōu)于所有其它開關(guān)拓?fù)渲饕袃蓚€原因。其一，Buck調(diào)節(jié)器是唯一能夠在控制開關(guān)打開的時候為輸出供電的開關(guān)變換器。這使電壓模式或電流模式PWM（不要與PWM調(diào)光混淆）的Buck調(diào)節(jié)器的控制環(huán)比Boost調(diào)節(jié)器或者各種Buck-Boost拓?fù)涓臁?/p>

　　控制開關(guān)開啟的過程中，電力傳輸同樣可以輕易地適應(yīng)滯環(huán)控制，甚至比最好的電壓模式或電流模式的控制環(huán)還要快。其二，Buck調(diào)節(jié)器的電導(dǎo)在整個轉(zhuǎn)換周期中連在了輸出上。這樣保證了一個持續(xù)輸出電流，也就是說，輸出電容被刪減掉。沒有了輸出電容，Buck調(diào)節(jié)器成了一個真正的高阻抗電流源，它可以很快達(dá)到輸出電壓。Cuk和zeta轉(zhuǎn)換器可以提供持續(xù)的輸出電感，但是當(dāng)更慢的控制環(huán)（和慢頻）被納入其中的時候，它們會落后。

　　比開啟針腳更快

　　即使是一個單純的無輸出電容的滯后Buck調(diào)節(jié)器，也不能滿足某些PWM調(diào)光系統(tǒng)的需要。這些應(yīng)用需要高PWM調(diào)光頻率和高對比度，這就分別需要快速信號轉(zhuǎn)換率和短延遲時間。對于機(jī)器視覺和工業(yè)檢驗來說，系統(tǒng)實例需要很高的性能，包括LCD板的背光和投影儀。在某些應(yīng)用中，PWM調(diào)光頻率必須超過音頻寬，達(dá)到25kHz或者更高。當(dāng)總調(diào)光周期降低到微秒級時，LED電流總上升和下降時間（包括傳輸延遲），必須降低到納秒級。

　　讓我們來看看一個沒有輸出電容的快速Buck調(diào)節(jié)器。打開和關(guān)斷輸出電流的延遲來源于IC的傳輸延遲和輸出電感的物理性質(zhì)。對于真正的高速PWM調(diào)光，這兩個問題都需要解決。最好的方法就是要用一個電源開關(guān)與LED鏈并聯(lián)（圖3）。要關(guān)掉LED，驅(qū)動電流要經(jīng)過開關(guān)分流，這個開關(guān)就是一個典型的n-MOSFET。IC持續(xù)工作，電感電流持續(xù)流動。這個方法的主要缺點是當(dāng)LED關(guān)閉的時候，電量被浪費掉了，甚至在這個過程中，輸出電壓下降到電流偵測電壓。

　　用一個分流FET調(diào)光會引起輸出電壓快速偏移，IC的控制環(huán)必須回應(yīng)保持常電流的請求。就像邏輯針腳調(diào)光一樣，控制環(huán)越快，回應(yīng)越好，帶有滯環(huán)控制的Buck調(diào)節(jié)器就會提供最好的回應(yīng)。

　　用Boost和Buck-Boost的快速PWM

　　Boost調(diào)節(jié)器和任何Buck-Boost拓?fù)涠疾贿m合PWM調(diào)光。這是因為在持續(xù)傳導(dǎo)模式中（CCM），每個調(diào)節(jié)器都展示了一個右半平面零，這就使它很難達(dá)到時鐘調(diào)節(jié)器需要的高控制環(huán)帶寬。右半平面零的時域效應(yīng)也使它更難在Boost或者Buck-Boost電路中使用滯后控制。

　　另外，Boost調(diào)節(jié)器不允許輸出電壓下降到輸入電壓以下。這個條件需要一個輸入端短電路并且使利用一個并聯(lián)FET實現(xiàn)調(diào)光變得不可能。。在Buck-Boost拓?fù)渲校⒙?lián)FET調(diào)光仍然不可能或者不切實際，這是因為它需要一個輸出電容（SEPIC，Buck-Boost和flyback），或者輸出短電路（Cuk和zeta）中的未受控制得輸入電感電流。當(dāng)需要真正快速PWM調(diào)光的時候，最好的解決方案是一個二級系統(tǒng)，它利用一個Buck調(diào)節(jié)器作為第二LED驅(qū)動級。如果空間和成本不允許的時候，下一個最好的原則就是一個串聯(lián)開關(guān)（圖4）。

　　LED電流可以被立即切斷。另外，必須要特別考慮系統(tǒng)回應(yīng)。這樣一個開路事實上是一個快速外部退荷暫態(tài)，它斷開了反饋環(huán)，引起了調(diào)節(jié)器輸出電壓的的上升。為了避免因為過壓失敗，我們需要輸出鉗制電路和/或誤差放大器。這種鉗制電路很難用外部電路實現(xiàn)，因此，串聯(lián)FET調(diào)光只能用專用Boost/Buck-Boost LED驅(qū)動IC來實現(xiàn)。

　　總而言之，LED光源的單純控制需要設(shè)計的初始階段就要非常小心。光源越復(fù)雜，就越要用PWM調(diào)光。這就需要系統(tǒng)設(shè)計者謹(jǐn)慎思考LED驅(qū)動拓?fù)?。Buck調(diào)節(jié)器為PWM調(diào)光提供了很多優(yōu)勢。如果調(diào)光頻率必須很高或者信號轉(zhuǎn)換率必須很快，或者二者都需要，那么Buck調(diào)節(jié)器就是最好的選擇。