LED背光控制器調(diào)光方式探討

　　LED調(diào)光有很多方式，依系統(tǒng)應(yīng)用的不同需求，有不同的選擇，可以依LED輸出電流波形的不同，區(qū)分為脈寬調(diào)制調(diào)光（PWM Dimming）與模擬調(diào)光（Analog Dimming）兩種。簡單的說，所謂脈寬調(diào)制調(diào)光就是指LED的輸出電流是一個LED導(dǎo)通和LED不導(dǎo)通的周期性方波輸出，藉由改變方波波形的導(dǎo)通時間寬度來調(diào)節(jié)LED的平均電流大小，來達成調(diào)光的功能。所以LED平均電流值可以等于方波的導(dǎo)通周期乘以最大電流，亦即ILEDavg = Duty（%） × ILEDmax，如圖（一）所示。

　　圖（一） 脈寬調(diào)制調(diào)光（PWM Dimming）

　　模擬調(diào)光是LED的輸出電流是一個模擬的輸出波形，藉由改變輸出電流電平的大小來調(diào)節(jié)LED的電流值，達成改變光源亮度調(diào)光的功能，如圖（二）所示。

　　圖（二） 模擬調(diào)光（Analog Dimming）

　　如果考慮到LED調(diào)光的輸入控制信號的話，依據(jù)LED調(diào)光的輸入控制信號，及LED輸出電流波形的不同，可歸納為4種組態(tài)，如表（一）所示。這些不同的調(diào)光控制方式，分別應(yīng)用在照明方面，如商用照明、辦公室照明、居家照明等室內(nèi)照明需求及顯示器或液晶電視的背光模塊中，系統(tǒng)業(yè)者根據(jù)不同的產(chǎn)品應(yīng)用規(guī)格，可以選擇優(yōu)化最具競爭力的調(diào)光方式。

　　表（一） LED調(diào)光分類

　　過去面板背光源是采用冷陰極燈管CCFL，由于電流跟亮度的曲線沒有很線性，所以就采用PWM調(diào)光控制，此一趨勢一直沿用到目前的LED背光控制，而為了簡化架構(gòu)不做太多的變更，調(diào)光的輸入控制信號就維持使用PWM調(diào)光，調(diào)光頻率為大于100Hz數(shù)字信號，以LED輸出電流的波形是數(shù)字或模擬來定義PWM調(diào)光或模擬調(diào)光。表（二）為脈寬調(diào)制調(diào)光與模擬調(diào)光的特性比較表，有助于了解兩者特性的不同。

　　表（二） 脈寬調(diào)制調(diào)光與模擬調(diào)光的特性比較表

　　總之，如果不了解各種LED調(diào)光方式特性及優(yōu)缺點的不同及實際系統(tǒng)端的應(yīng)用，并不容易找到正確的調(diào)光方法。本文會提出一些分析，透過這些分析，了解LED調(diào)光方法和其優(yōu)缺點就可以選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)光方法與LED驅(qū)動IC進行應(yīng)用。

　　（一）LED驅(qū)動IC脈寬調(diào)制調(diào)光應(yīng)用（PWM Dimming）

　　圖 （三）是一個升壓單串LED電流，脈寬調(diào)制調(diào)光應(yīng)用線路。DIM Pin輸入信號為脈沖信號，LED電流為了達到脈沖波形輸出，勢必需要在LED的路徑上串接一個功率開關(guān)Q2，當(dāng)DIM Pin輸入信號為高電平時，驅(qū)動IC開始動作，對磁性組件電感進行儲能與釋能，將輸出電壓升高到足以讓LED串導(dǎo)通，同時調(diào)光開關(guān)Q2導(dǎo)通（Turn On），所以LED輸出電流馬上建立。

　　圖（三） 脈寬調(diào)制調(diào)光應(yīng)用線路一

　　當(dāng)DIM Pin輸入信號為低電平時，驅(qū)動IC不動作，輸出電壓無法建立讓LED串導(dǎo)通，同時調(diào)光開關(guān)Q2截止（Turn OFF），將LED輸出電流同步截止。所以脈寬調(diào)制調(diào)光應(yīng)用線路（PWM Dimming）需要增加一個調(diào)光開關(guān)Q2在LED串聯(lián)的路徑上，來達到較佳的脈沖輸出。

　　這種脈寬調(diào)制的調(diào)光方式，是改變脈沖導(dǎo)通周期的大小，可以達到1000:1的調(diào)光周期（dimming ratio），所以具有較佳的高低亮度明暗對比。在目前的消費性電子產(chǎn)品顯示器和液晶電壓廣泛的應(yīng)用。

　　圖（四）是一個實測的波形，輸入電壓20V，LED串的電壓約50V，LED電流500mA，在1KHz / 50%調(diào)光下的LED電流波形跟升壓開關(guān)Q1 Gate的電壓波形。由波形可知，LED輸出電壓紋波電壓小，LED電流為一導(dǎo)通/不導(dǎo)通的電流信號，LED驅(qū)動IC DRV pin驅(qū)動信號是一高頻切換周期隨著調(diào)光信號做開及關(guān)的切換，脈寬調(diào)制調(diào)光（PWM Dimming）所產(chǎn)生的高頻及不連續(xù)的輸出信號容易衍生出EMI、音頻干擾及面板顯示器紋波等等問題。

　　圖（四） 實測波形一

　　圖 （五）是一個升壓單串LED電流，脈寬調(diào)制調(diào)光應(yīng)用線路。為了節(jié)省成本，把原本應(yīng)該串接在LED串路徑上做調(diào)光用的開關(guān)組件Q2給移除。當(dāng)DIM Pin輸入信號為高電平時，驅(qū)動IC開始動作，對磁性組件電感進行儲能與釋能，把輸出電壓升高，但隨著輸出電壓建立的過程，LED串電流也開始慢慢導(dǎo)通。

　　圖（五） 脈寬調(diào)制調(diào)光應(yīng)用線路二

　　當(dāng)DIM Pin輸入信號為低電平時，驅(qū)動IC不動作，儲存在輸出電容COUT上的電壓會經(jīng)由LED串路徑慢慢泄放掉，在調(diào)光模式下LED的電流波形，為一個近乎失真的脈沖波形，如圖（六）所示。

　　圖（六） 實測波形二

　　把 LED串的調(diào)光開關(guān)組件省略，這種應(yīng)用最大的優(yōu)點是可節(jié)省成本，但是提供一個粗糙的亮度調(diào)整，利用眼睛視覺暫留反應(yīng)較慢的特性作為濾波功能，線路的切換頻率隨調(diào)光頻率開開關(guān)關(guān)，在調(diào)光頻率Off時，LED依然流出電流，輸出電壓下降，在調(diào)光頻率ON時，輸出電壓會不足以讓LED串完全導(dǎo)通，驅(qū)動IC內(nèi)部的誤差放大器勢必動作去增加電感能量，使輸出電壓上升。

　　如此，會犧牲了線路特性，LED輸出電壓紋波明顯變大，LED輸出電流既非脈沖輸出也非線性輸出，所以LED調(diào)光電流的線性度，LED平均電流和亮度的線性度會不佳。在調(diào)光周期小時，有可能會有閃爍情況，所以調(diào)光周期范圍會受限，調(diào)光的對比度也會明顯變差。EMI、音頻干擾及面板顯示器紋波等問題都依然存在，所以這不是一個好的調(diào)光方式。

　　（二）LED驅(qū)動IC模擬調(diào)光應(yīng)用（Analog Dimming）

　　圖（七）是通嘉科技新推出的單串升壓式線性調(diào)光控制器LD5857，DIM腳位使用輸入PWM信號，將調(diào)光周期用于調(diào)節(jié)IC內(nèi)部反饋參考電壓VREF（MAX），如圖（八）所示。

　　DIM腳位控制IC內(nèi)部參考電平VREF（MAX）導(dǎo)通周期，周期的電壓電平為0.3V方波，所以將VREF（MAX）轉(zhuǎn)變?yōu)橐浑SDIM腳位周期而產(chǎn)生的方波（電壓電平為0.3V），進而產(chǎn)生一VREF=Duty×VREF（MAX），使反饋信號電壓電平VFB=0.3V×Duty，藉由GM跟補償電容C組成低通濾波LPF，得到一近似直流DC的COMP pin電壓電平VCOMP值。

　　圖（七） 模擬調(diào)光應(yīng)用線路

　　圖（八） 模擬調(diào)光控制方式

　　DIM腳位的調(diào)光頻率建議大于4 ~ 10的FC（FC ： Cut Off Frequency注1），VCOMP會得到最佳DC值，形成模擬信號調(diào)光Analog Dimming。這種調(diào)光方式，在DIM Off時LD5857 DRV Pin依然動作中，電感電流變化和緩，較低的電感電流紋波且輸出LED的電流變化緩慢，因此輸出電容電壓不會有紋波，所以電感及電容不會出現(xiàn)像PWM調(diào)光時所產(chǎn)生的振動噪音。

　　LED輸出電壓電流的波形，如圖（九）所示。由于調(diào)光方式是模擬調(diào)光，所以在LED串路徑上不需額外的開關(guān)組件做調(diào)光，所以控制方式簡單，線路成本較便宜，調(diào)光時LED峰值電流降低，有助于延長LED壽命。且電感電流為連續(xù)波形非Burst波形，電感紋波電流小，Audio Noise問題不存在，也沒有EMI及音頻干擾問題。調(diào)光線性度佳，LED紋波電流小，無紋波問題。

　　圖（九） 實測波形三

　　WLED 在背光方面幾乎已全面使用，在照明方面的普及率也已越來越高，針對不同系統(tǒng)應(yīng)用需求，PWM與模擬調(diào)光方式分別適用在各個不同的領(lǐng)域，且各有優(yōu)缺點。但是現(xiàn)在全世界面板發(fā)展為要求低功耗及高分辨率，為了節(jié)省導(dǎo)光板，使得光儲存度下降，使得面板對于噪聲的干擾更加敏感，而PWM調(diào)光是屬于低頻率調(diào)光，所以面板亮度的質(zhì)量變化更容易受到影響。

　　而模擬調(diào)光是屬于振幅調(diào)光，電流對比于亮度的調(diào)整是線性控制，所以面板亮度的質(zhì)量不會受到調(diào)光干擾。且為了徹底完全改善PWM調(diào)光所造成的其他問題，一些面板業(yè)者已逐漸采用模擬調(diào)光來取代脈寬調(diào)制調(diào)光。為了因應(yīng)這股趨勢，通嘉新推出的 LD5857驅(qū)動器，在0% ~ 100%的調(diào)光范圍，有絕佳的調(diào)光線性度，如圖（十）所示。至于模擬調(diào)光的色偏問題，面板業(yè)者也已積極改善LED電流跟色彩偏移度的關(guān)系，已有不錯的成果。

　　圖（十） 模擬調(diào)光電流線性度

　　由于現(xiàn)代人普遍長時間使用計算機，容易造成眼睛疲勞的問題，原因為顯示器面板背光是采用的是PWM調(diào)光，雖然PWM調(diào)光頻率高于人眼的視覺暫留，所以感受不到LED閃爍的現(xiàn)象，但PWM調(diào)光仍是屬于一個低頻率開關(guān)LED方式來調(diào)光，長時間使用下來，PWM調(diào)光方式對眼睛仍然是一個負(fù)擔(dān)，所以眼睛容易有的疲勞問題，而模擬調(diào)光方式正好可以解決一般計算機屏幕閃爍對眼睛所造成的疲勞，也提供了不俗的顯示表現(xiàn)。

　　雖然目前在高階液晶電視方面，由于需求有較高的對比度特性，所以目前仍采用PWM調(diào)光，但一般的液晶電視及顯示器，也已開始評估及采用模擬調(diào)光方式，相信在不久的未來，模擬調(diào)光方式一定會逐漸廣泛應(yīng)用在顯示器及液晶電視背光方面。

　　注1： FC： Cut Off Frequency又稱-3dB截止頻率，信號頻率高于截止頻率時，信號輸出會大幅度衰減。