避免在頻率高于20kHz時(shí)采用PWM LED調(diào)光的音頻頻段

隨著應(yīng)用設(shè)計(jì)人員利用LED的獨(dú)特特性，對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器的要求變得越來(lái)越苛刻。凌力爾特提供完整的 LED 驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品組合，其性能水平可滿足最具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)要求。這些LED驅(qū)動(dòng)器特別擅長(zhǎng)的一個(gè)領(lǐng)域是其PWM調(diào)光能力的性能和靈活性。LED 可以快速打開(kāi)和關(guān)閉 - 只需納秒即可點(diǎn)亮或熄滅光源。PWM調(diào)光利用這一特性實(shí)現(xiàn)了幾個(gè)數(shù)量級(jí)的調(diào)光，同時(shí)在整個(gè)動(dòng)態(tài)光強(qiáng)度范圍內(nèi)保持恒定的輸出光譜。

當(dāng)考慮到頻率高于20kHz的PWM調(diào)光時(shí)，可用的LED驅(qū)動(dòng)器的廣泛范圍會(huì)縮小很多。為什么是20kHz？盡管大多數(shù)LED燈設(shè)計(jì)人員擔(dān)心在PWM頻率低于約100Hz時(shí)會(huì)出現(xiàn)可察覺(jué)的閃爍，但在某些應(yīng)用中，人眼并不是限制因素;它是人耳。人耳感知高達(dá)約20kHz的振動(dòng)，這在某些應(yīng)用中可能成為確定PWM頻率的重要因素。多功能 LT3755 和 LT3756 是 LED 控制器精英組的成員，可在 50kHz 時(shí)支持 1：20 的非常高的 PWM 調(diào)光比。這些控制器支持各種拓?fù)?，包括各種功率水平下的降壓模式、升壓和降壓-升壓。

高性能 PWM 調(diào)光

PWM調(diào)光方法很簡(jiǎn)單;LED在每個(gè)PWM周期內(nèi)由嚴(yán)格調(diào)節(jié)的電流驅(qū)動(dòng)，間隔固定。在關(guān)斷階段，LED中的電流為零。在導(dǎo)通階段，電流被仔細(xì)調(diào)節(jié)。重要的是，“導(dǎo)通”電流是一致的，因?yàn)長(zhǎng)ED的輸出光譜是正向電流的函數(shù)。PWM信號(hào)的占空比對(duì)應(yīng)于調(diào)光值。

雖然這個(gè)概念很簡(jiǎn)單，但設(shè)計(jì)一個(gè)能夠在高PWM頻率下實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的控制器絕非易事。脈沖電流的上升和下降時(shí)間應(yīng)該很快，小于100ns。從任意輸入電壓產(chǎn)生合適的PWM電流脈沖可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。這通常需要一個(gè)高帶寬 DC/DC 轉(zhuǎn)換器來(lái)調(diào)節(jié)電流，在 LED 兩端安裝一個(gè)存儲(chǔ)/濾波電容器來(lái)在 PWM 開(kāi)/關(guān)轉(zhuǎn)換期間提供電流，以及一個(gè)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)來(lái)確保電流波形具有尖銳的導(dǎo)通和關(guān)斷邊沿。

從閉環(huán)穩(wěn)定性的角度來(lái)看，遲滯轉(zhuǎn)換器雖然使用簡(jiǎn)單，但存在問(wèn)題。LED電流上升和下降時(shí)間緩慢是使用大值電感器平滑通過(guò)LED電流的結(jié)果之一，因?yàn)闆](méi)有輸出電容。由于LED中的平均電流與電感中的紋波電流有關(guān)，而紋波電流又對(duì)輸入電壓瞬變敏感，因此LED光輸出隨輸入電源而變化。在大多數(shù)情況下，此方法無(wú)法提供可接受的PWM性能。

什么決定了PWM性能？PWM間隔或頻率由應(yīng)用決定，有幾個(gè)注意事項(xiàng)需要牢記。首先，如果PWM頻率大于120Hz，人眼通常不會(huì)感知閃爍，因此間隔的下限通常為8ms。

可實(shí)現(xiàn)的調(diào)光比是驅(qū)動(dòng)器電路提供的電流脈沖的最小導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間的函數(shù)。因此，8μs 的最小脈沖可在 1000Hz 時(shí)產(chǎn)生 1：120 的調(diào)光能力。20kHz的可聽(tīng)要求是因?yàn)樘沾呻娙萜骺梢詫⒖陕?tīng)見(jiàn)的物理振動(dòng)引入印刷電路板，而這些電容由于其低ESR、堅(jiān)固性和長(zhǎng)期可靠性而在高帶寬轉(zhuǎn)換器電路中無(wú)處不在。陶瓷電容器會(huì)隨著施加電壓的變化而物理改變尺寸（以及值），PWM瞬變期間的快速電壓瞬變會(huì)導(dǎo)致尺寸的快速變化，從而將振動(dòng)耦合到電路板中。如果您曾經(jīng)注意到包含這些電路之一的手持設(shè)備旁邊有煩人的嗡嗡聲或嗡嗡聲，那么您已經(jīng)觀察到了這種效果。

使用與LED串聯(lián)的隔離開(kāi)關(guān)大大降低了電壓瞬變，從而降低了輸出電容的嗡嗡聲。雖然良好的設(shè)計(jì)技術(shù)可以極大地降低較低PWM頻率的可聞噪聲，但只要PWM頻率低于20kHz，就不能保證消除可聽(tīng)發(fā)射。許多應(yīng)用設(shè)計(jì)人員不想修改聲學(xué)，而是更喜歡安靜運(yùn)行的電路，以完成合理的PWM調(diào)光工作。LT?3755 和 LT3756 電流模式開(kāi)關(guān)控制器可配置為幾種不同的轉(zhuǎn)換器電路，以提供一個(gè)高帶寬、良好調(diào)節(jié)的輸出電流，該電流能夠以短至 1μs 的間隔進(jìn)行脈沖。

非連續(xù)導(dǎo)通模式是最大化PWM性能的秘訣

開(kāi)/關(guān)時(shí)間短的關(guān)鍵是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在非連續(xù)導(dǎo)通模式 （DCM） 下工作。在這種模式下，電感電流在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)始終從零開(kāi)始，峰值電感電流由負(fù)載決定，并通過(guò)開(kāi)關(guān)占空比進(jìn)行調(diào)整。相比之下，連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）保持相對(duì)恒定的開(kāi)關(guān)占空比，并調(diào)整平均電感電流以滿足負(fù)載需求。

DCM 在高性能 PWM 調(diào)光方面非常出色，因?yàn)樗稍趩蝹€(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)向輸出提供所需的能量。這允許控制器繞過(guò) 3-4 個(gè)開(kāi)關(guān)周期的典型最小 PWM 周期，以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這是 CCM 的常見(jiàn)要求。DCM 中的操作對(duì)開(kāi)關(guān)組件提出了更高的要求，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)組件在給定負(fù)載下會(huì)看到更高的峰值電流。因此，控制器比單片轉(zhuǎn)換器更易于使用，因?yàn)槠渥畲箝_(kāi)關(guān)電流可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行編程，而無(wú)需更改應(yīng)用的功能。

與 CCM 相比，在 DCM 中工作確實(shí)是有代價(jià)的：效率、輸入電源范圍和模擬調(diào)光范圍都會(huì)有所降低。最大與最小輸入電源范圍的比值略小于最小PWM脈沖寬度與最小開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間之比。同樣，如果輸入電源是固定的，則最大模擬調(diào)光比與最小PWM脈沖與最小開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間之比相同。然而，這種技術(shù)的好處是，與連續(xù)導(dǎo)通模式相比，最小PWM周期短四到五倍。如果應(yīng)用需要高PWM調(diào)光比，DCM模式提供了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的可靠途徑。此處所示的三個(gè)采用LT3755構(gòu)建的應(yīng)用電路演示了這種技術(shù)。

圖1所示為一個(gè)9W升壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器采用26V至350V電源調(diào)節(jié)8V的LED電流，穩(wěn)定電流為18mA。如果電源固定在 12V，則穩(wěn)壓器以恒定開(kāi)關(guān)頻率工作，用于由 CTRL 引腳在 125mA 和 1A （2.4W 至 27W） 之間設(shè)置的 LED 電流。最小導(dǎo)通時(shí)間為 1μs，最小導(dǎo)通時(shí)間為 2μs。圖50中的開(kāi)關(guān)波形顯示了在27%占空比、1V/12A負(fù)載和1V電源下的工作。請(qǐng)注意LED電流信號(hào)的快速上升和下降時(shí)間，即使在7A時(shí)也是如此。在最大負(fù)載下，GATE引腳為1V，持續(xù)近3μs（與最小脈沖寬度相同），電感電流在每個(gè)GATE脈沖開(kāi)始之前達(dá)到零，這是DCM工作的特征。圖12顯示了90V輸入時(shí)的效率與LED電流的關(guān)系，峰值略高于<>%。

圖1.這款 10W 升壓 LED 驅(qū)動(dòng)器通過(guò)在 50kHz 頻率下實(shí)現(xiàn) 1：20 PWM 調(diào)光，遠(yuǎn)離音頻頻段。較低的PWM頻率會(huì)導(dǎo)致陶瓷電容器振動(dòng)時(shí)發(fā)出可聞的嗡嗡聲。

圖2.圖 1 中升壓 LED 驅(qū)動(dòng)器的 DCM 操作。

圖3.圖1中升壓LED驅(qū)動(dòng)器的效率大于90%。

圖4所示為降壓模式轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器采用16V至500V電源調(diào)節(jié)22V LED串，電流為36mA。該電路具有一個(gè)外部電荷泵和電平轉(zhuǎn)換，用于驅(qū)動(dòng)LED斷路NMOS的柵極。這種電平轉(zhuǎn)換提供的上升和下降時(shí)間比驅(qū)動(dòng)PMOS的熟悉電阻電平轉(zhuǎn)換要快得多，并且消耗的電流要少得多。圖5中的示波器曲線顯示了幾個(gè)占空比下的PWM調(diào)光——很明顯，輸出LED電流沒(méi)有明顯的變化，因?yàn)槊}沖寬度在最小導(dǎo)通時(shí)間和最小關(guān)斷時(shí)間之間平滑調(diào)整。該8W電路的效率超過(guò)90%。

圖4.8W 降壓模式 LED 驅(qū)動(dòng)器，在 50kHz 頻率下具有 1：20 PWM 調(diào)光和 90% 的效率

圖5.圖4中降壓模式驅(qū)動(dòng)器的三種PWM調(diào)光設(shè)置。即使在 33kHz 下，LED 電流在最小占空比到最大占空比之間也沒(méi)有明顯變化。

圖6所示為SEPIC轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器采用1V至20V電源驅(qū)動(dòng)12A、36V LED串。除了提供升壓和降壓能力外，該電路還非常方便，因?yàn)樗峁┹斎?輸出隔離，并內(nèi)置輸出短路至GND保護(hù)。該電路的效率超過(guò)87%。與其他電路一樣，最小PWM導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間為1μs。圖7顯示了輸出短路故障期間的波形。當(dāng)開(kāi)關(guān)電流斜坡上升到設(shè)定限值 10A 時(shí)，輸入電流保持受控狀態(tài)，然后跳過(guò)接下來(lái)的幾個(gè)周期，同時(shí) LED 電阻器檢測(cè)到的電流斜坡下降到 1.5A。這種電路操作的故障模式可以無(wú)限期地持續(xù)下去，而不會(huì)損壞組件。

圖6.20W SEPIC LED 驅(qū)動(dòng)器，具有 50：1 PWM 調(diào)光（20kHz）和輸出故障保護(hù)。

圖7.圖6所示的SEPIC轉(zhuǎn)換器在GND輸出故障期間保持控制。

結(jié)論

LT3755 和 LT3756 為一個(gè)產(chǎn)生窄至 1μs 的 PWM 脈沖寬度的 LED 控制器提供了無(wú)與倫比的性能，從而在高于可聽(tīng)范圍的頻率下實(shí)現(xiàn)了 50：1 的 PWM 調(diào)光。其他特性包括 LED 開(kāi)路保護(hù)、LED 開(kāi)路狀態(tài)指示燈以及通過(guò)模擬輸入對(duì) LED 電流進(jìn)行編程。

審核編輯：郭婷