LED照明PWM調(diào)光

不管你用Buck, Boost, Buck-Boost還是線性調(diào)節(jié)器來驅(qū)動(dòng)LED，它們的共同思路都是用驅(qū)動(dòng)電路來控制光的輸出。一些應(yīng)用只是簡單地來實(shí)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(jì)者主要有兩個(gè)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(duì)于人眼識(shí)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(shí)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€(gè)最好的性能。

圖1：使用PWM調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)及其波形。

推薦的PWM調(diào)光

模擬調(diào)光通?？梢院芎唵蔚膩韺?shí)現(xiàn)。我們可以通過一個(gè)控制電壓來成比例地改變LED驅(qū)動(dòng)的輸出。模擬調(diào)光不會(huì)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(jì)中要使用PWM調(diào)光，這是由于LED的一個(gè)基本性質(zhì)：發(fā)射光的特性要隨著平均驅(qū)動(dòng)電流而偏移。對(duì)于單色LED來說，其主波長會(huì)改變。對(duì)白光LED來說，其相關(guān)顏色溫度（CCT）會(huì)改變。對(duì)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(shí)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(gè)發(fā)射藍(lán)光譜光子的區(qū)域，它透過一個(gè)磷面提供一個(gè)寬幅可見光。低電流的時(shí)候，磷光占主導(dǎo)，光趨近于黃色。高電流的時(shí)候，LED藍(lán)光占主導(dǎo)，光呈現(xiàn)藍(lán)色，從而達(dá)到了一個(gè)高CCT。當(dāng)使用一個(gè)以上的白光LED的時(shí)候，相鄰LED的CCT的不同會(huì)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(gè)單色LED也會(huì)存在同樣的問題。當(dāng)我們使用一個(gè)以上的光源的時(shí)候，LED中任何的差異都會(huì)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(gè)驅(qū)動(dòng)電流，這樣就能保證只以這些特定驅(qū)動(dòng)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(jì)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(dòng)IC的前景來看，模擬調(diào)光面臨著一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，這就是輸出電流精度。幾乎每個(gè)LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)中的容差、偏移和延遲導(dǎo)致了一個(gè)相對(duì)固定的誤差。要在一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)中降低輸出電流就必須降低VSNS。這樣就會(huì)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(duì)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(jí)。

調(diào)光頻率VS對(duì)比度

LED驅(qū)動(dòng)對(duì)PWM調(diào)光信號(hào)的不可忽視的回應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生了一個(gè)設(shè)計(jì)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(duì)比度就越低（光強(qiáng)的控制尺度）。

圖2：調(diào)光延遲。

如圖所示，tn表示從時(shí)間邏輯信號(hào)VDIM提升到足以使LED驅(qū)動(dòng)開始提高輸出電流的時(shí)候的過渡延遲。另外，tsu輸出電流從零提升到目標(biāo)級(jí)所需要的時(shí)間，相反，tsn是輸出電流從目標(biāo)級(jí)下降到零所需要的時(shí)間。一般來說，調(diào)光頻率（fDIM）越低，對(duì)比度越高，這是因?yàn)檫@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(gè)下限，肉眼就不會(huì)再把脈沖混合成一個(gè)感覺起來持續(xù)的光。另外，上限是由達(dá)到最小對(duì)比度來確定的。

對(duì)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(yàn)應(yīng)用中常常需要更高的PWM調(diào)光頻率，因?yàn)楦咚傧鄼C(jī)和傳感器需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于人眼的反應(yīng)時(shí)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(shí)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(dòng)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(gè)開啟或關(guān)掉針腳來供邏輯電平PWM信號(hào)連接，但是與此相關(guān)的延遲（tD）常常很久。這是因?yàn)楣柙O(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)回應(yīng)時(shí)間中的低關(guān)斷電流。而驅(qū)動(dòng)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(shí)，內(nèi)部控制電路始終保持開啟，然而當(dāng)LED關(guān)斷的時(shí)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(duì)比度，而且也為了最小化LED從零到目標(biāo)電平的時(shí)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(huì)有一個(gè)緩開和緩關(guān)的過程，但是LED專用驅(qū)動(dòng)可以做所有的事情，其中包括降低信號(hào)轉(zhuǎn)換速率的控制。降低tSU 和 tSN要從硅設(shè)計(jì)和開關(guān)調(diào)節(jié)器拓?fù)鋬煞矫嫒胧帧?

Buck調(diào)節(jié)器能夠保持快速信號(hào)轉(zhuǎn)換而又優(yōu)于所有其它開關(guān)拓?fù)渲饕袃蓚€(gè)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(shí)候?yàn)檩敵龉╇姷拈_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??？刂崎_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(gè)轉(zhuǎn)換周期中連在了輸出上。這樣保證了一個(gè)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(gè)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(shí)候，它們會(huì)落后。

比開啟針腳更快

即使是一個(gè)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(duì)比度，這就分別需要快速信號(hào)轉(zhuǎn)換率和短延遲時(shí)間。對(duì)于機(jī)器視覺和工業(yè)檢驗(yàn)來說，系統(tǒng)實(shí)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(jí)時(shí)，LED電流總上升和下降時(shí)間（包括傳輸延遲），必須降低到納秒級(jí)。

讓我們來看看一個(gè)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(duì)于真正的高速PWM調(diào)光，這兩個(gè)問題都需要解決。最好的方法就是要用一個(gè)電源開關(guān)與LED鏈并聯(lián)（圖3）。要關(guān)掉LED，驅(qū)動(dòng)電流要經(jīng)過開關(guān)分流，這個(gè)開關(guān)就是一個(gè)典型的n-MOSFET。IC持續(xù)工作，電感電流持續(xù)流動(dòng)。這個(gè)方法的主要缺點(diǎn)是當(dāng)LED關(guān)閉的時(shí)候，電量被浪費(fèi)掉了，甚至在這個(gè)過程中，輸出電壓下降到電流偵測電壓。

圖3：分流電路及其波形。

用一個(gè)分流FET調(diào)光會(huì)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(qǐng)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(huì)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?yàn)樵诔掷m(xù)傳導(dǎo)模式中（CCM），每個(gè)調(diào)節(jié)器都展示了一個(gè)右半平面零，這就使它很難達(dá)到時(shí)鐘調(diào)節(jié)器需要的高控制環(huán)帶寬。右半平面零的時(shí)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(gè)條件需要一個(gè)輸入端短電路并且使利用一個(gè)并聯(lián)FET實(shí)現(xiàn)調(diào)光變得不可能。。在Buck-Boost拓?fù)渲?，并?lián)FET調(diào)光仍然不可能或者不切實(shí)際，這是因?yàn)樗枰粋€(gè)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(shí)候，最好的解決方案是一個(gè)二級(jí)系統(tǒng)，它利用一個(gè)Buck調(diào)節(jié)器作為第二LED驅(qū)動(dòng)級(jí)。如果空間和成本不允許的時(shí)候，下一個(gè)最好的原則就是一個(gè)串聯(lián)開關(guān)（圖4）。

圖4：帶有串聯(lián)DIM開關(guān)的Boost調(diào)節(jié)器。

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(gè)開路事實(shí)上是一個(gè)快速外部退荷暫態(tài)，它斷開了反饋環(huán)，引起了調(diào)節(jié)器輸出電壓的無界上升。為了避免因?yàn)檫^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(shí)現(xiàn)，因此，串聯(lián)FET調(diào)光只能用專用Boost/Buck-Boost LED驅(qū)動(dòng)IC來實(shí)現(xiàn)。

總而言之，LED光源的單純控制需要設(shè)計(jì)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(jì)者謹(jǐn)慎思考LED驅(qū)動(dòng)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(hào)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。