PWM調(diào)光技術(shù)詳解

　　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(gè)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?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)器常常會有一個(gè)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(jì)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€(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臁？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)光頻率和高對比度，這就分別需要快速信號轉(zhuǎn)換率和短延遲時(shí)間。對于機(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。

　　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。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?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)渲校⒙?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)二級系統(tǒng)，它利用一個(gè)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(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)動拓?fù)洹uck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。