【導讀】LED無論連接哪一個驅動電路都必須控制光的輸出,針對LED調光有兩種解決方案,一種是線性調節(jié)LED電流,在高頻下數(shù)字調光。一種是脈沖寬度調變(PWM)來設定循環(huán)和工作周期數(shù)字調光。
無論LED是經由降壓、升壓、降壓/升壓或線性穩(wěn)壓器驅動,連接每一個驅動電路最常見的線程就是須要控制光的輸出?,F(xiàn)今僅有很少數(shù)的應用只需要開和關的簡單功能,絕大多數(shù)都需要從0~100%去微調亮度。目前,針對亮度控制方面,主要的兩種解決方案為線性調節(jié)LED的電流(模擬調光)或在肉眼無法察覺的高頻下,讓驅動電流從0到目標電流值之間來回切換(數(shù)字調光)。利用脈沖寬度調變(PWM)來設定循環(huán)和工作周期可能是實現(xiàn)數(shù)字調光的最簡單的方法,原因是相同的技術可以用來控制大部分的開關轉換器。
PWM調光能調配準確色光
一般來說,模擬調光比較容易實行,這是因為LED驅動器的輸出電流變化與控制電壓成比例,而且模擬調光也不會引發(fā)額外的電磁兼容性(EMC)/電磁干擾(EMI)潛在頻率問題。然而,大部分設計采用PWM調光的理由都是基于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的光子。在較小的電流下,磷光會成為主導并使光線偏向黃色;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,同時也會產生較高的CCT。對于使用超過一個白光LED的應用,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。
圖1 采用PWM調光的LED驅動器及波形
LED制造商會在其產品的電流特性表中指定驅動電流的大小,其只會在這些特定電流條件下對產品的主波長或CCT提供保證。PWM調光的優(yōu)點在于完全毋須考慮光的強弱,也能確保LED放射出設計人員所需的顏色。這種精確的控制對于紅綠藍(RGB)應用尤其重要,因為這些應用是將不同顏色的光線混和以產生白光。
從驅動器集成電路的角度看,模擬調光面臨著輸出電流準確性的嚴峻挑戰(zhàn)。幾乎所有的LED驅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會產生一個協(xié)調作用,使電路能保持高信號信噪比(SNR),同時維持低功耗,由驅動器中的容限度、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光強。
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調光頻率與對比度成反比
對于PWM調光信號而言,每個LED都有限定的響應時間,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)。
圖2 調光延遲
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換回0所需的時間。在大多數(shù)的情況下,調光頻率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光周期TDIM。調光頻率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通時間的倒數(shù)。機械視覺辨識和工業(yè)檢驗等應用通常都需要較高的PWM調光頻率,主因為高速攝影機和傳感器的反應速度比人類眼睛快很多。在這類應用中,對于LED光源進行高速開和關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。
利用開關穩(wěn)壓器來調光
為了達到每秒開關數(shù)百次或甚至數(shù)千次,以開關穩(wěn)壓器為基礎的LED驅動器,須經過特別的設計考慮。針對標準電源供應而設計的穩(wěn)壓器一般都會設計一根“啟動”或關閉接腳,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計強調在響應時間內維持低停機電流。然而,專用來驅動LED的開關穩(wěn)壓器則恰好相反,它可在「啟動」接腳邏輯低時,保持內部控制電路的活動,以將tD減至最低,而當LED被關關時,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,要把轉上(Slew-up)和轉下(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)在這里的標準開關穩(wěn)壓器將設有一個軟啟動,通常也搭配一個軟關閉,而專用的LED驅動器會在其控制之內執(zhí)行所有工作以減少這些回轉率(Slew Rate)。要降低tSU和tSD,須要同時從硅芯片的設計和開關穩(wěn)壓器所采用的拓撲著手。
具備較快速回轉率的降壓穩(wěn)壓器,比其他所有的開關拓撲結構在兩個地方表現(xiàn)更為優(yōu)異,首先降壓穩(wěn)壓器是唯一可在控制開關啟動時,將功率輸送到輸出端的開關轉換器,此特點使得電壓模式或電流模式PWM(這里不要與PWM調光混淆)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周期內都是連接在輸出端,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,能夠迅速轉換輸出電壓。邱克型(Cuk)和Zeta轉換器雖可提供連續(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。
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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,都不足以應付某些PWM調光系統(tǒng)的要求,這些應用需要較高的PWM調光頻率、高對比度度,也就是要求更快速的回轉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調光頻率必須被調高到可聽頻帶以外的25kHz或更高的頻帶,隨著整體的調光周期已縮短至幾微秒內,包括傳導延遲在內,LED電流的上升和下降時間總和必須縮短至奈秒內。
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閉的延遲,是來自集成電路本身的傳導延遲和輸出電感器的物理特性。若要達到真正高速的PWM調光,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(圖3)。當LED關閉時,驅動電流便會分流通過開關,作用就如同一個典型的N型金屬氧化半導體場效晶體管(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。
圖3 分路FET電路和其波形
利用分路場效應晶體管(FET)來進行調光會導致輸出電壓出現(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,以嘗試維持輸出電流的穩(wěn)定。正如同邏輯接腳調光般,控制回路愈快表示響應愈好,而采用磁滯控制的降壓穩(wěn)壓器則可提供最佳的回應。
利用升壓和降壓/升壓 實現(xiàn)快速的PWM調光
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調光。在開始設計的時候,會發(fā)覺兩者在連續(xù)導通模式(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,這種情況會導致在輸入端產生短路,使得并列FET調光無法實行。另外,在各類的降壓/升壓拓撲技術中,并列FET調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。
圖4 采用串行調光開關的升壓穩(wěn)壓器
雖然LED電流可在瞬間關閉,但須仔細考慮系統(tǒng)的響應,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調光必須配合專用升壓與降壓/升壓LED驅動器集成電路才可使用。
要有效控制LED光源,必須在開始時的設計過程就加倍小心,光源愈是精密,須要采用PWM調光的機會就愈大,而系統(tǒng)設計人員也必須謹慎考慮有關LED驅動器的拓撲結構問題。降壓穩(wěn)壓器對PWM調光有很多優(yōu)點,設計人員必須慎重考慮輸入電壓和LED的排列位置。假如調光頻率要求更高,回轉率便要更快,如此可更輕易在設計過程的初期改用降壓穩(wěn)壓器來實行。
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