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詳解 LED PWM 調(diào)光技術(shù)及設(shè)計注意事項

發(fā)布時間:2016-05-17 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】目前,針對亮度控制方面,主要的兩種解決方案為線性調(diào)節(jié)LED的電流(模擬調(diào)光)或在肉眼無法察覺的高頻下,讓驅(qū)動電流從0到目標電流值之間來回切換(數(shù)字調(diào)光)。利用脈沖寬度調(diào)變(PWM)來設(shè)定循環(huán)和工作周期可能是實現(xiàn)數(shù)字調(diào)光的最簡單的方法,原因是相同的技術(shù)可以用來控制大部分的開關(guān)轉(zhuǎn)換器。
 
PWM調(diào)光能調(diào)配準確色光
 
一般來說,模擬調(diào)光比較容易實行,這是因為LED驅(qū)動器的輸出電流變化與控制電壓成比例,而且模擬調(diào)光也不會引發(fā)額外的電磁兼容性(EMC)/電磁干擾(EMI)潛在頻率問題。然而,大部分設(shè)計采用PWM調(diào)光的理由都是基于LED的基本特性,即放射光的位移是與平均驅(qū)動電流的大小成比例(圖1)。
 
對于單色LED來說,主要光波的波長會發(fā)生變化,而在白光LED方面,出現(xiàn)變化的是相對色溫(CCT)。對于人們的肉眼來說,很難察覺出紅、綠或藍光LED中的奈米波長變化,尤其是當光的強度也同樣在改變,但是白光的色溫變化則比較容易察覺出來。大多數(shù)的白光LED都包含一片可放射出藍光頻譜光子的晶圓,這些光子在撞擊磷光涂層后便會放射出各種可見光范圍內(nèi)的光子。
 
在較小的電流下,磷光會成為主導(dǎo)并使光線偏向黃色;而在較大電流下,LED放射出來的藍光則較多,使得光線偏向藍色,同時也會產(chǎn)生較高的CCT。對于使用超過一個白光LED的應(yīng)用,在兩個相鄰LED之間出現(xiàn)的CCT差異會很明顯,且視覺令人不悅,此概念可以進一步延伸將多個單色LED光線混和在一起的光源。一旦超過一個光源,任何出現(xiàn)在它們之間的CCT差異都會令人感到刺眼。
 
詳解 LED PWM 調(diào)光技術(shù)及設(shè)計注意事項
圖1 采用PWM調(diào)光的LED驅(qū)動器及波形
 
LED制造商會在其產(chǎn)品的電流特性表中指定驅(qū)動電流的大小,其只會在這些特定電流條件下對產(chǎn)品的主波長或CCT提供保證。PWM調(diào)光的優(yōu)點在于完全毋須考慮光的強弱,也能確保LED放射出設(shè)計人員所需的顏色。這種精確的控制對于紅綠藍(RGB)應(yīng)用尤其重要,因為這些應(yīng)用是將不同顏色的光線混和以產(chǎn)生白光。
 
從驅(qū)動器集成電路的角度看,模擬調(diào)光面臨著輸出電流準確性的嚴峻挑戰(zhàn)。幾乎所有的LED驅(qū)動器都在輸出端加入某種形式的串行電阻來偵測電流,而所選用的電流感測電壓VSNS會產(chǎn)生一個協(xié)調(diào)作用,使電路能保持高信號信噪比(SNR),同時維持低功耗,由驅(qū)動器中的容限度、偏移和延遲所引致的誤差則相對保持固定。要在封閉回路系統(tǒng)中降低輸出電流,就必須要調(diào)降VSNS,但如此一來,輸出電流的準確性便會下降,直至VSNS的絕對值等于誤差電壓為止,最后,輸出電流會變得無法控制,目標輸出電流將不能被確定或保證。一般來說,PWM調(diào)光除了可以提高準確性之外,對于低階光輸出的線性控制也較模擬調(diào)光強。
 
調(diào)光頻率與對比度成反比
 
對于PWM調(diào)光信號而言,每個LED都有限定的響應(yīng)時間,圖2表示三種不同的延遲,延遲愈大者表示能達到的對比度就愈低(對光強度控制的一種測量方法)。
 
詳解 LED PWM 調(diào)光技術(shù)及設(shè)計注意事項
圖2 調(diào)光延遲
 
圖2中的時間量tD表示由邏輯信號VDIM上升開始,至LED驅(qū)動器開始增加輸出電流開始之間的傳播延遲,而時間量tSU則表示輸出電流由0轉(zhuǎn)換到目標電流所需的時間,至于時間量tSD代表輸出電流從目標電流轉(zhuǎn)換回0所需的時間。在大多數(shù)的情況下,調(diào)光頻率fDIM愈低,對比度就愈高,這是因為這些固定延遲只會占用少部分的調(diào)光周期TDIM。調(diào)光頻率fDIM的下限約為120Hz,假如低于此頻率,眼睛便不能再將脈沖混和成一個可見的連續(xù)光線。至于上限則取決于最低對比度的要求,對比度一般被表示成最低導(dǎo)通時間的倒數(shù)。
 
CR=1 / tON-MIN:1
 
tON-MIN =tD+tSU
 
機械視覺辨識和工業(yè)檢驗等應(yīng)用通常都需要較高的PWM調(diào)光頻率,主因為高速攝影機和傳感器的反應(yīng)速度比人類眼睛快很多。在這類應(yīng)用中,對于LED光源進行高速開和關(guān)的目的不是要降低平均的光輸出量,而是要將光輸出與傳感器或攝影機的捕捉時間進行同步化。
 
利用開關(guān)穩(wěn)壓器來調(diào)光
 
為了達到每秒開關(guān)數(shù)百次或甚至數(shù)千次,以開關(guān)穩(wěn)壓器為基礎(chǔ)的LED驅(qū)動器,須經(jīng)過特別的設(shè)計考慮。針對標準電源供應(yīng)而設(shè)計的穩(wěn)壓器一般都會設(shè)計一根“啟動”或關(guān)閉接腳,以便供邏輯PWM信號使用,但連帶的延遲tD則頗長,這是由于硅芯片的設(shè)計強調(diào)在響應(yīng)時間內(nèi)維持低停機電流。然而,專用來驅(qū)動LED的開關(guān)穩(wěn)壓器則恰好相反,它可在「啟動」接腳邏輯低時,保持內(nèi)部控制電路的活動,以將tD減至最低,而當LED被關(guān)關(guān)時,則會面臨較大工作電流的困擾。
 
在使用PWM來達成光控制優(yōu)化時,要把轉(zhuǎn)上(Slew-up)和轉(zhuǎn)下(Slew-down)延遲維持在最低,這不單為了獲得最佳的對比度,而且還可減少LED花在由0到目標所需的時間。(在此條件下,并不保證主波長或CCT與目標值相同)在這里的標準開關(guān)穩(wěn)壓器將設(shè)有一個軟啟動,通常也搭配一個軟關(guān)閉,而專用的LED驅(qū)動器會在其控制之內(nèi)執(zhí)行所有工作以減少這些回轉(zhuǎn)率(Slew Rate)。要降低tSU和tSD,須要同時從硅芯片的設(shè)計和開關(guān)穩(wěn)壓器所采用的拓撲著手。
 
具備較快速回轉(zhuǎn)率的降壓穩(wěn)壓器,比其他所有的開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)在兩個地方表現(xiàn)更為優(yōu)異,首先降壓穩(wěn)壓器是唯一可在控制開關(guān)啟動時,將功率輸送到輸出端的開關(guān)轉(zhuǎn)換器,此特點使得電壓模式或電流模式PWM(這里不要與PWM調(diào)光混淆)的降壓穩(wěn)壓器之控制回路,比起升壓穩(wěn)壓器或其他降壓/升壓拓撲更為快速。此外,在控制開關(guān)啟動期間的功率傳輸能夠輕易改為磁滯控制,使其速度甚至比最佳的電壓模式或電流模式控制的回路更快。其次,降壓穩(wěn)壓器的電感器在整個開關(guān)周期內(nèi)都是連接在輸出端,此可確保輸出電流的連續(xù)性,也意謂毋須使用輸出電容器。少了輸出電容器后,降壓穩(wěn)壓器便可成為真正的高阻抗電流源,能夠迅速轉(zhuǎn)換輸出電壓。邱克型(Cuk)和Zeta轉(zhuǎn)換器雖可提供連續(xù)性輸出電感器,但由于它們的控制回路較慢,效率也較低,因此并非最佳選擇。
 
PWM比“啟動”接腳更快
 
即使是一個沒有輸出電容器的純磁滯降壓穩(wěn)壓器,都不足以應(yīng)付某些PWM調(diào)光系統(tǒng)的要求,這些應(yīng)用需要較高的PWM調(diào)光頻率、高對比度度,也就是要求更快速的回轉(zhuǎn)率和更短暫的延遲時間。與機械視覺辨識和工業(yè)檢驗系統(tǒng)搭配應(yīng)用時,舉例某些要求高性能的系統(tǒng),包括液晶(LCD)面板和投影機的背光照明系統(tǒng),在某些情況下,PWM調(diào)光頻率必須被調(diào)高到可聽頻帶以外的25kHz或更高的頻帶,隨著整體的調(diào)光周期已縮短至幾微秒內(nèi),包括傳導(dǎo)延遲在內(nèi),LED電流的上升和下降時間總和必須縮短至奈秒內(nèi)。
 
從一個沒有輸出電容器的快速降壓穩(wěn)壓器著手,出現(xiàn)在輸出電流開啟和關(guān)閉的延遲,是來自集成電路本身的傳導(dǎo)延遲和輸出電感器的物理特性。若要達到真正高速的PWM調(diào)光,兩個延遲都須被略過(By Pass)。要實現(xiàn)這個目標,最佳方法就是采用一個與LED并聯(lián)的電源開關(guān)(圖3)。當LED關(guān)閉時,驅(qū)動電流便會分流通過開關(guān),作用就如同一個典型的N型金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管(N-MOSFET),這時集成電路會繼續(xù)運行,而電感器電流也會持續(xù)流動。該方法的最大缺點在于LED關(guān)閉時,即使期間的輸出電壓下降到與電流感測電壓相同,仍會浪費功率。
 
詳解 LED PWM 調(diào)光技術(shù)及設(shè)計注意事項
圖3 分路FET電路和其波形
 
利用分路場效應(yīng)晶體管(FET)來進行調(diào)光會導(dǎo)致輸出電壓出現(xiàn)較為急劇的移位,這使得集成電路的控制回路必須作出響應(yīng),以嘗試維持輸出電流的穩(wěn)定。正如同邏輯接腳調(diào)光般,控制回路愈快表示響應(yīng)愈好,而采用磁滯控制的降壓穩(wěn)壓器則可提供最佳的回應(yīng)。
 
利用升壓和降壓/升壓 實現(xiàn)快速的PWM調(diào)光
 
無論是升壓穩(wěn)壓器或任何類型的降壓/升壓拓撲都不太適合用在PWM調(diào)光。在開始設(shè)計的時候,會發(fā)覺兩者在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)下都會展現(xiàn)一個右半平面零點(Right-half Plane Zero)限制,這將無法達到頻率穩(wěn)壓器所需的高控制回路帶寬要求。此外,右半平面零點的時域效應(yīng)還會使系統(tǒng)難以磁滯方式去控制升壓或降壓/升壓電路;另一個使情況變得更為復(fù)雜的因素是升壓穩(wěn)壓器不能容忍輸出電壓下降到輸入電壓以下,這種情況會導(dǎo)致在輸入端產(chǎn)生短路,使得并列FET調(diào)光無法實行。另外,在各類的降壓/升壓拓撲技術(shù)中,并列FET調(diào)光仍然窒礙難行或極難使用,主因在于它需要輸出電容器(SEPIC、降壓/升壓和返馳式),又或在輸出短路時會出現(xiàn)無法控制的輸入電感器電流(Cuk和Zeta)。
 
假如真的需要一個快速的PWM調(diào)光,最佳的解決方案是采用兩級系統(tǒng),并以降壓穩(wěn)壓器作為第二級LED驅(qū)動級。不過,若尺寸空間和成本都不容許,退而求其次的最佳選擇便是圖4中的串行開關(guān)。
 
詳解 LED PWM 調(diào)光技術(shù)及設(shè)計注意事項
圖4 采用串行調(diào)光開關(guān)的升壓穩(wěn)壓器
 
雖然LED電流可在瞬間關(guān)閉,但須仔細考慮系統(tǒng)的響應(yīng),這種開放電路其實可看成一個快速的極端卸除瞬時,它還會中斷回饋回路并導(dǎo)致穩(wěn)壓器的輸出電壓無止境上升。因此,須要在輸出和/或誤差放大器加入箝位電路,以預(yù)防超載電壓所造成的損害,但由于這些箝位電路難以用外部電路的方式實現(xiàn),也就是說串行式FET調(diào)光必須配合專用升壓與降壓/升壓LED驅(qū)動器集成電路才可使用。
 
要有效控制LED光源,必須在開始時的設(shè)計過程就加倍小心,光源愈是精密,須要采用PWM調(diào)光的機會就愈大,而系統(tǒng)設(shè)計人員也必須謹慎考慮有關(guān)LED驅(qū)動器的拓撲結(jié)構(gòu)問題。降壓穩(wěn)壓器對PWM調(diào)光有很多優(yōu)點,設(shè)計人員必須慎重考慮輸入電壓和LED的排列位置。假如調(diào)光頻率要求更高,回轉(zhuǎn)率便要更快,如此可更輕易在設(shè)計過程的初期改用降壓穩(wěn)壓器來實行。
 


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