PWM調光技術詳解

　　基于開關調節(jié)器的LED驅動需要一些特別考慮，以便于每秒鐘關掉和開啟成百上千次。用于通常供電的調節(jié)器常常有一個開啟或關掉針腳來供邏輯電平PWM信號連接，但是與此相關的延遲（tD）常常很久。這是因為硅設計強調回應時間中的低關斷電流。而驅動LED的專用開關調節(jié)則相反，當開啟針腳為邏輯低以最小化tD時，內部控制電路始終保持開啟，然而當LED關斷的時候，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，這不僅是為了達到最好的對比度，而且也為了最小化LED從零到目標電平的時間（這里主導光波長和CCT不能保證）。標準開關調節(jié)器常常會有一個緩開和緩關的過程，但是LED專用驅動可以做所有的事情，其中包括降低信號轉換速率的控制。降低tSU 和 tSN要從硅設計和開關調節(jié)器拓撲兩方面入手。

　　Buck調節(jié)器能夠保持快速信號轉換而又優(yōu)于所有其它開關拓撲主要有兩個原因。其一，Buck調節(jié)器是唯一能夠在控制開關打開的時候為輸出供電的開關變換器。這使電壓模式或電流模式PWM（不要與PWM調光混淆）的Buck調節(jié)器的控制環(huán)比Boost調節(jié)器或者各種Buck-Boost拓撲更快。控制開關開啟的過程中，電力傳輸同樣可以輕易地適應滯環(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調節(jié)器的電導在整個轉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調節(jié)器成了一個真正的高阻抗電流源，它可以很快達到輸出電壓。Cuk和zeta轉換器可以提供持續(xù)的輸出電感，但是當更慢的控制環(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調節(jié)器，也不能滿足某些PWM調光系統的需要。這些應用需要高PWM調光頻率和高對比度，這就分別需要快速信號轉換率和短延遲時間。對于機器視覺和工業(yè)檢驗來說，系統實例需要很高的性能，包括LCD板的背光和投影儀。在某些應用中，PWM調光頻率必須超過音頻寬，達到25kHz或者更高。當總調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調節(jié)器。打開和關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。對于真正的高速PWM調光，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與LED鏈并聯（圖3）。要關掉LED，驅動電流要經過開關分流，這個開關就是一個典型的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LED關閉的時候，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。

圖3：分流電路及其波形

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

用Boost和Buck-Boost的快速PWM

　　Boost調節(jié)器和任何Buck-Boost拓撲都不適合PWM調光。這是因為在持續(xù)傳導模式中（CCM），每個調節(jié)器都展示了一個右半平面零，這就使它很難達到時鐘調節(jié)器需要的高控制環(huán)帶寬。右半平面零的時域效應也使它更難在Boost或者Buck-Boost電路中使用滯后控制。另外，Boost調節(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FET實現調光變得不可能。。在Buck-Boost拓撲中，并聯FET調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。當需要真正快速PWM調光的時候，最好的解決方案是一個二級系統，它利用一個Buck調節(jié)器作為第二LED驅動級。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開關（圖4）。

圖4：帶有串聯DIM開關的Boost調節(jié)器

　　LED電流可以被立即切斷。另外，必須要特別考慮系統回應。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)，引起了調節(jié)器輸出電壓上升。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，因此，串聯FET調光只能用專用Boost/Buck-Boost LED驅動IC來實現。

　　總而言之，LED光源的單純控制需要設計的初始階段就要非常小心。光源越復雜，就越要用PWM調光。這就需要系統設計者謹慎思考LED驅動拓撲。Buck調節(jié)器為PWM調光提供了很多優(yōu)勢。如果調光頻率必須很高或者信號轉換率必須很快，或者二者都需要，那么Buck調節(jié)器就是最好的選擇。