實現不影響LED光線質量解決方案所需的設計步驟

隨著傳統照明到發(fā)光二極管 (LED) 的快速發(fā)展，以及越來越多的解決方案推向市場，消費者對于其選擇的產品越來越講究。 特別具有對比度和無色度變化范圍大或可察覺閃爍的線性調光，被認為是優(yōu)質產品的標志。

設計人員的難點在于，與傳統白熾燈或日光燈照明不同，要在保持光線質量的同時對 LED 調光并非易事。 雖可進行模擬調光，但這會造成明顯的色度和發(fā)射光“溫度”偏移。

一種現有技術是通過對驅動 LED 的正向電流進行脈沖寬度調制 (PWM)，來進行 LED 調光。 其基本前提是，在 PWM 串的“導通”周期中，LED 在最佳正向電流/正向電壓條件下工作。 因此，光線質量好，并且感受到的亮度與 PWM 串的占空比成線性比例。

設計人員面臨的挑戰(zhàn)在于設計能與模塊化開關電壓轉換器協調工作的 PWM 電路，這種轉換器通常用作 LED 電源，即“驅動器”。 若不采用這種補充方法，則很容易造成諸如電磁干擾 (EMI)、有限對比度（最大亮度/最小亮度）和可察覺的閃爍（這會影響到健康）等問題。

本文基于目前各種 LED 驅動器考慮 PWM LED 調光電路的設計，并重點介紹實現不影響光線質量的解決方案所需的設計步驟。

模擬調光的缺點

LED 需要恒流/恒壓電源，才能以良好的光線質量保持高效工作。 （光線質量已成為關鍵產品區(qū)分因素、以及主要供應商完善其終端產品的努力方向。 請參閱資料庫文章《廠商開始關注光線質量以增加 LED 市場份額收益》。）

可以在一定程度上根據最終產品規(guī)格靈活選擇工作點。 例如，LED 的光通量與正向電流成比例，因此設計人員可以選擇以較高正向電流驅動 LED，以提升亮度，從而減少給定設計規(guī)格所需的 LED 數量。 （請參閱資料庫文章《最佳亮度的照明設計》。）

圖 1 顯示 OSRAM Opto Semiconductors 的 Duris S5E 白光 LED 的正向電流與亮度特點。 OSRAM 器件基于成熟的技術，是主流照明應用的普遍選擇。 這種 LED 在 6.35 V/150 mA 條件下可產生 118 lm，在該工作點下的效率據稱可達到 123 lm/W。 例如，相比 150 mA 時產生的亮度，將正向電流降低到 100 mA 可將亮度調低 30%。

圖 1： OSRAM Duris S5E 白光 LED 在正向電流和亮度之間近乎呈線性關系。 （來源： OSRAM Opto Semiconductors）

熟悉白熾燈照明調光的消費者自然需要 LED 替代品的類似功能。 這些功能的亮點在于可在較廣的亮度范圍內進行精細分辨率調光。 顯然，滿足該需求的簡單方法是設計一種模擬調光電路，該電路可通過 LED 電源或“驅動器”來降低驅動 LED 工作的正向電壓/正向電流。

遺憾的是，模擬調光法存在一些明顯的缺點。 其中主要有能效影響（輸出 (lm)/輸入功率 (W)）、由于最小正向電流閾值造成的受限對比度、精確控制典型 LED 驅動器較大范圍輸出電流的設計復雜度增加，以及影響最大的是，LED 的相關色溫 (CCT) 隨正向電壓/正向電流變化而變化。

CCT 決定了 LED 的表面熱度，是光線質量的關鍵衡量指標。 減小正向電壓/正向電流，將對當今大多數“白光”LED 產品核心中的藍色 LED 發(fā)出的光線波長產生微妙的影響。 現代照明應用的高亮度 LED 結合了含釔鋁石榴石 (YAG) 磷光體的寶藍色 LED。 部分 LED 的藍光子直接從器件中逸出，而大多數與形成（主要是）黃光的磷光體相結合。 藍光與黃光的組合與白光近似。

LED 廠商隨后會對磷光體稍作改動，將白光的“溫度”從冷（偏藍）色調修改為暖（黃）陰影，從而讓制造商可提供各種顏色選擇，以適應個人喜好。 CCT 從數量上定義了 LED 光的溫度。 （請參閱資料庫文章《定義白光 LED 的色彩特征》。）

廠商規(guī)定了 LED 在特定正向電壓/正向電流工作點下的 CCT。 設計人員從特定 CCT“分檔”中選擇 LED，他們知道從該分檔中選擇的所有產品都將發(fā)出幾乎相同的 CCT。 雖然領先制造商通常還提供 CCT 如何隨正向電壓/正向電流變化的信息，但他們并不保證特定產品在超出推薦參數以外的工作點的性能。 尤其是，LED 制造商不保證來自相同分檔的器件在建議工作點以外的任何點產生相同的 CCT。 圖 2 說明了 OSRAM LED 的色度坐標（決定其 CCT）如何隨正向電流變化。

圖 2： LED 的色度和 CCT 隨正向電壓變化。 在較大范圍的正向電流中，可以通過肉眼觀察這些變化。 （來源： OSRAM）

然而糟糕的是，肉眼并不擅長觀察細微顏色變化（例如，純紅色、綠色或藍色 LED 發(fā)出的光子波長差異在被發(fā)現之前會顯著變化），但對 CCT 變化非常敏感。 因此，消費者完全有可能會注意到由來自相同分檔的 LED 驅動的兩個裝置在相同程度的模擬調光下顏色變化比較大。 （請參閱資料庫文章《數字調光解決 LED 顏色難題》，以獲取本主題的詳細技術說明。）

用 PWM 調光解決 CCT 挑戰(zhàn)

近年來，PWM 被用作優(yōu)質 LED 照明的首選調光技術。 在 PWM 串的“導通”周期中，LED 在推薦的正向電壓/正向電流工作點下被驅動 — 確保 CCT 在規(guī)格書的參數范圍內。 PWM 串占空比（脈沖時長 (tP) 與信號周期 (T) 之比）決定平均電流，從而決定感受到的亮度。

圖 3 顯示了三種不同的脈沖串，它們都在恒定正向電流下工作。 頂部示例顯示的是中等照明，中間示例較暗，底部示例則較亮。 圖 4 顯示了占空比與正向電壓之間的線性特征。

圖 3： 改變 PWM 脈沖串占空比可改變 LED 平均正向電流以及亮度（自上：中、低、高亮度），同時在導通期間保持特定工作電流。 （來源： OSRAM）

圖 4： 占空比與 LED 亮度線性相關。 （來源： OSRAM）

來自主要供應商的現代 LED 驅動器已經設計有 PWM 調光功能。 許多芯片采用 PWM 或 DIM 引腳實現從 PWM 發(fā)生器的直接輸入，以確定驅動器的導通、關斷周期。 但是，仔細權衡 LED 驅動器的選擇將獲益匪淺，因為其中有一些關鍵因素可區(qū)分優(yōu)秀和不良 LED 數字調光設計。

一個關鍵考慮因素是 PWM 串的頻率（即 fDIM）。 fDIM 的最小值由肉眼對閃爍的靈敏度決定。 近期的照明設計指南指出，如果不產生長期健康影響，則 fDIM 應當大于 80 - 100 Hz。 （請參閱資料庫文章《新的閃爍建議將如何影響 LED 照明設計》。）

然而設計人員需要進行權衡，因為頻率越高，對比度影響就越大。 這是因為即使最好的 LED 驅動器也需要特定時間來響應 PWM 輸入。 圖 5 說明了什么情況下出現這些時間延遲。

圖 5： LED 驅動器在響應調光 PWM 信號時產生的延遲。 這些延遲決定了調光系統的最大對比度。 （來源：Texas Instruments）

在圖 5 中，tD 表示從 PWM 信號 (VDIM) 變高的時間到驅動 LED 的正向電流響應時間的傳播延遲。 （tSU 和 tSD 分別是 LED 正向電流轉上和轉下時間。） 壓擺率限制最小和最大占空比（DMIN 和 DMAX），以及對比度。

降低 fDIM 一般會提高對比度，這是因為 T 相對較長，即使對于低占空比，固定壓擺率的 LED 驅動器有充足的時間達到所需的正向電流/正向電壓，然后回落到零。

（注意，對于任何 PWM 調光頻率選擇，最好選擇具有有限壓擺的 LED 驅動器，因為 LED 的開啟時間可使它在 PWM 信號的前沿過早點亮（因此正向電壓/正向電流超出規(guī)格），使得消費者面臨困擾模擬調光的相同 CCT 變化。）

對比率 (CR) 通常以最小導通時間的倒數表示：

常規(guī)用途的標準開關穩(wěn)壓器并非設計用于反復開關，因此廠商很少關注壓擺。 許多情況下，這些穩(wěn)壓器還具備軟啟動和軟關斷模式（以防電壓尖峰），它可延長壓擺。 相比而言，調光應用的 LED 驅動器則設計為較短的壓擺時間。

由于兩個不同原因，基于開關式降壓調壓器的 LED 驅動器具有最短的壓擺時間。 首先，降壓穩(wěn)壓器在開關導通時向輸出提供電源，使控制回路比“升壓”或“降壓-升壓”拓撲更快。 其次，降壓穩(wěn)壓器的電感器在整個開關周期中連接到輸出，確保連續(xù)輸出電流，且無需輸出電容器。 不使用電容器使得驅動器的輸出電壓/電流非?？焖俚剞D換。[1] 仔細挑選降壓穩(wěn)壓器能實現 kHz 范圍的 PWM 調光頻率，雖然可能對于主流照明并沒有必要，但對于工業(yè)圖像識別任務的高速選通等應用卻大有益處。

設計 PWM 調光 LED 電源

有三種方法可以設計帶 PWM 調光的 LED 電源： 用單獨的元器件重新開發(fā)電路；匹配帶 PWM 輸入的降壓 LED 驅動器和 PWM 電路；或者用專用 PWM 發(fā)生器更換 PWM 電路。

第一種方法不適用于資金緊張的情況，但如果預算和空間情況良好，也可以采用。 我們現在看看其他兩種方法，它們基于一些來自各大主要供應商的成熟集成模塊化電源管理設備。

Texas Instruments 提供一種簡單但相對昂貴的 PWM 可調光解決方案，它集成了 LED 驅動器控制功能，設計人員可靈活選擇用于驅動 LED 的外部 MOSFET。 LM3421 是一款適用于 LED 電源的高壓 N 溝道 MOSFET 控制器。 該芯片可在降壓、升壓、降壓-升壓和單端初級電感轉換器 (SEPIC) 拓撲中配置。

在本文特定背景下，LM3421 集成了可用于調光的 nDIM 引腳。 TI 推薦了兩種調光方法，第一種使用通過肖特基二極管實現的反相 PWM 脈沖串 (DDIM)，第二種使用通過調光 MOSFET 應用的標準 PWM 信號 (QDIM)。 如果應用需要高 PWM 頻率和良好對比度，第二種方法很有用，因為它可加速 LED 驅動器控制器的壓擺率。 圖 6 顯示了 LM3421 的 PWM 調光選項。

圖 6： TI 推薦了兩種可用于其 LM3421 LED 驅動器控制器的 PWM 調光技術，使用肖特基二極管，或為需要更高 PWM 頻率的應用使用 MOSFET。

就其本身而言，Maxim Integrated 最近引入了帶內置調光功能的 LED 驅動器，無需外部元器件，并且禁用 PWM 信號發(fā)生器。 MAX16819 是一款在 4.5 V 至 28 V 輸入范圍內工作的降壓 LED 驅動器，并帶有 5 V/10 mA 板載穩(wěn)壓器。 采用上述 TI 器件后，該芯片的 DRV 輸出設計為可為外部 MOSFET 供電，它連接到 LED 并有助于減少壓擺。

該芯片的主要特性在于其滯后控制算法，Maxim Integrated 宣稱可確保 PWM 調光工作期間的快速響應，并能實現高達 20 kHz 的 PWM 頻率，以滿足要求該頻率的應用。 該器件具有高達 2 MHz 的開關頻率，因此能讓設計人員選擇緊湊的外部元器件。 圖 7 顯示了驅動 LED 的正向電流如何快速響應調光電壓變化。

圖 7： Maxim Integrated 的 MAX16819 采用滯后控制算法，該算法可加速對 PWM 調光輸入的響應。 該圖闡明了 LED 電流 400 mA、50% 占空比時的系統響應。

對于高端（但顯然更昂貴）解決方案，Linear Technology 提供 LT8500 48 通道 LED PWM 發(fā)生器。 該芯片可與該公司產品中的三款 LT3595 16 通道降壓模式 LED 驅動器組合，用于 PWM 可調光照明解決方案，該方案在電流達到 50 mA 時能為 480 個 LED 供電。

LT3595A 是降壓 LED 驅動器，設計用于驅動 16 個獨立通道，每個通道最多十個 LED。 該芯片集成了開關、肖特基二極管和補償元器件，以減少電路基底面并降低元器件成本。 該芯片在 4.5 V 至 45 V 輸入范圍內運行，在 2 MHz 開關頻率下工作（允許使用小電感器和電容器）。

通過將 PWM 輸入應用到 16 個單獨的 PWM 引腳，為每個通道控制調光。 該器件具有快速轉上和轉下壓擺率，最大對比度為 5000:1。

LT8500 LED PWM 發(fā)生器在 3 V 至 5.5 V 輸入下工作，具有 48 個獨立通道，可用于直接控制三個 LED 驅動器。 每個通道有單獨的可調節(jié) PWM 寄存器。

LT8500 可以獨立調節(jié)每個通道的亮度。 12 位 PWM 寄存器 – 可通過簡單串行數據接口編程 – 可實現 4095 種最大 LED 輸出 0 - 99.98% 的不同亮度等級。 圖 8 顯示了如何配置 LT8500 以驅動三個 LT3595A 降壓 LED 驅動器。 注意，RSET 電阻器設置各 LED 驅動器上所有 16 個通道的 LED 電流。

圖 8： Linear Technology 的 LT8500 可為三個 LT3595 降壓 LED 驅動器提供 PWM 調光輸入。 反過來，每個驅動器可為最多 160 個 LED 供電。 （根據 Linear Technology 提供的原圖，用 Digi-Key Scheme-it 繪制的原理圖。）