LED照明PWM調光

不管你用Buck, Boost, Buck-Boost還是線性調節(jié)器來驅動LED，它們的共同思路都是用驅動電路來控制光的輸出。一些應用只是簡單地來實現(xiàn)“開”和“關”地功能，但是更多地應用需求是要從0到100%調節(jié)光的亮度，而且經常要有很高的精度。設計者主要有兩個選擇：線性調節(jié)LED電流（模擬調光），或者使用開關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)字調光）。使用脈沖寬度調制（PWM）來設置周期和占空度（圖1）可能是最簡單的實現(xiàn)數(shù)字調光的方法，并且Buck調節(jié)器拓撲往往能夠提供一個最好的性能。

圖1：使用PWM調光的LED驅動及其波形。

推薦的PWM調光

模擬調光通?？梢院芎唵蔚膩韺崿F(xiàn)。我們可以通過一個控制電壓來成比例地改變LED驅動的輸出。模擬調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)設計中要使用PWM調光，這是由于LED的一個基本性質：發(fā)射光的特性要隨著平均驅動電流而偏移。對于單色LED來說，其主波長會改變。對白光LED來說，其相關顏色溫度（CCT）會改變。對于人眼來說，很難察覺到紅、綠或藍LED中幾納米波長的變化，特別是在光強也在變化的時候。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，光趨近于黃色。高電流的時候，LED藍光占主導，光呈現(xiàn)藍色，從而達到了一個高CCT。當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。同樣延伸到光源應用里，混合多個單色LED也會存在同樣的問題。當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生產商在他們的產品電氣特性表中特別制定了一個驅動電流，這樣就能保證只以這些特定驅動電流來產生的光波長或CCT。用PWM調光保證了LED發(fā)出設計者需要的顏色，而光的強度另當別論。這種精細控制在RGB應用中特別重要，以混合不同顏色的光來產生白光。

從驅動IC的前景來看，模擬調光面臨著一個嚴峻的挑戰(zhàn)，這就是輸出電流精度。幾乎每個LED驅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。驅動中的容差、偏移和延遲導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，相對于模擬調光，PWM調光可以提高精度，線性控制光輸出到更低級。

調光頻率VS對比度

LED驅動對PWM調光信號的不可忽視的回應時間產生了一個設計問題。這里主要有三種主要延遲（圖2）。這些延遲越長，可以達到的對比度就越低（光強的控制尺度）。

圖2：調光延遲。

如圖所示，tn表示從時間邏輯信號VDIM提升到足以使LED驅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級所需要的時間，相反，tsn是輸出電流從目標級下降到零所需要的時間。一般來說，調光頻率（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。在機器視覺和工業(yè)檢驗應用中常常需要更高的PWM調光頻率，因為高速相機和傳感器需要遠遠快于人眼的反應時間。在這種應用中，LED光源的快速開通和關閉的目的不是為了降低輸出光的平均強度，而是為了使輸出光與傳感器和相機時間同步。

用開關調節(jié)器調光

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?？刂崎_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(tǒng)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(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(lián)（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(lián)FET實現(xiàn)調光變得不可能。。在Buck-Boost拓撲中，并聯(lián)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(tǒng)，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(lián)開關（圖4）。

圖4：帶有串聯(lián)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(tǒng)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)器輸出電壓的無界上升。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調光只能用專用Boost/Buck-Boost LED驅動IC來實現(xiàn)。

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(tǒng)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。