详解LED PWM调光技术及设计注意点

1、详解led pwm调光技术及设计注意点加速调光频率 实现精准调光无论led是经由降压、升压、降压/升压或线性稳压器驱动，衔接每一个驱动最频繁的线程就是必要控制光的输出。现今仅有很少数的应用只需要开和关的容易功能，绝大多数都需要从0100%去微调亮度。目前，针对亮度控制方面，主要的两种解决计划为线性调整led的(模拟调光)或在肉眼无法察觉的高频下，让驱动电流从0到目标电流值之间往返切换(数字调光)。利用脉冲宽度调变(pwm)来设定循环和工作周期可能是实现数字调光的最容易的办法，缘由是相同的技术可以用来控制大部分的开关转换器。pwm调光能调配精确色光普通来说，模拟调光比较简单采取，这是由于led驱

2、动器的输出电流变幻与控制成比例，而且模拟调光也不会引发额外的电磁兼容性()/电磁干扰(emi)潜在频率问题。然而，大部分设计采纳pwm调光的理由都是基于led的基本特性，即发射光的位移是与平均驱动电流的大小成比例(图1)。对于单色led来说，主要光波的波长会发生变幻，而在白光led方面，浮现变幻的是相对色温(cct)。对于人们的肉眼来说，很难察觉出红、绿或蓝光led中的奈米波长变幻，尤其是当光的强度也同样在转变，但是白光的色温变幻则比较简单察觉出来。大多数的白光led都包含一片可发射出蓝光频谱光子的晶圆，这些光子在撞击磷光涂层后便会发射出各种可见光范围内的光子。在较小的电流下，磷光会成为主导并

3、使光芒偏向黄色；而在较大电流下，led发射出来的蓝光则较多，使得光芒偏向蓝色，同时也会产生较高的cct。对于用法超过一个白光led的应用，在两个相邻led之间浮现的cct差异会很显然，且视觉令人不悦，此概念可以进一步延长将多个单色led光芒混和在一起的光源。一旦超过一个光源，任何浮现在它们之间的cct差异都会令人感到耀眼。图1 采纳pwm调光的led驱动器及波形led创造商会在其产品的电流特性表中指定驱动电流的大小，其只会在这些特定电流条件下对产品的主波长或cct提供保证。pwm调光的优点在于彻低毋须考虑光的强弱，也能确保led发射出设计人员所需的色彩。这种精确的控制对于红绿蓝(rgb)应用尤

4、其重要，由于这些应用是将不同色彩的光芒混和以产生白光。从驱动器的角度看，模拟调光濒临着输出电流精确性的严重挑战。几乎全部的led驱动器都在输出端加入某种形式的串行来侦测电流，而所选用的电流感测电压vsns会产生一个协调作用，使电路能保持高信号信噪比(snr)，同时维持低功耗，由驱动器中的容限度、偏移和延迟所引致的误差则相对保持固定。要在封闭回路系统中降低输出电流，就必需要调降vsns，但如此一来，输出电流的精确性便会下降，直至vsns的肯定值等于误差电压为止，最后，输出电流会变得无法控制，目标输出电流将不能被确定或保证。普通来说，pwm调光除了可以提高精确性之外，对于低阶光输出的线性控制也较模

5、拟调光强。调光频率与对照度成反比对于pwm调光信号而言，每个led都有限定的响应时光，图2表示三种不同的延迟，延迟愈大者表示能达到的对照度就愈低(对光强度控制的一种测量办法)。图2 调光延迟图2中的时光量td表示由规律信号vdim升高开头，至led驱动器开头增强输出电流开头之间的传扬延迟，而时光量tsu则表示输出电流由0转换到目标电流所需的时光，至于时光量tsd代表输出电流从目标电流转换回0所需的时光。在大多数的状况下，调光频率fdim愈低，对照度就愈高，这是由于这些固定延迟只会占用少部分的调光周期tdim。调光频率fdim的下限约为120hz，如果低于此频率，眼睛便不能再将脉冲混和成一个可见

6、的延续光芒。至于上限则取决于最低对照度的要求，对照度普通被表示成最低导通时光的倒数。cr1 / ton-min：1ton-min tdtsu机械视觉辨识和工业检验等应用通常都需要较高的pwm调光频率，主由于高速摄影机和的反应速度比人类眼睛快无数。在这类应用中，对于led光源举行高速开和关的目的不是要降低平均的光输出量，而是要将光输出与传感器或摄影机的捕获时光举行同步化。利用开关稳压器来调光为了达到每秒开关数百次或甚至数千次，以开关稳压器为基础的led驱动器，须经过特殊的设计考虑。针对标准电源供给而设计的稳压器普通都会设计一根“启动”或关闭接脚，以便供规律pwm信号用法，但连带的延迟td则颇长，

7、这是因为硅芯片的设计强调在响应时光内维持低停机电流。然而，专用来驱动led的开关稳压器则恰好相反，它可在启动接脚规律低时，保持内部控制电路的活动，以将td减至最低，而当led被关关时，则会濒临较大工作电流的困扰。在用法pwm来达成光控制优化时，要把转上(slew-up)和转下(slew-down)延迟维持在最低，这不单为了获得最佳的对照度，而且还可削减led花在由0到目标所需的时光。(在此条件下，并不保证主波长或cct与目标值相同)在这里的标准开关稳压器将设有一个软启动，通常也搭配一个软关闭，而专用的led驱动器会在其控制之内执行全部工作以削减这些回转率(slew rate)。要降低tsu和t

8、sd，必要同时从硅芯片的设计和开关稳压器所采纳的拓扑着手。具备较迅速回转率的降压稳压器，比其他全部的开关拓扑结构在两个地方表现更为优异，首先降压稳压器是唯一可在控制开关启动时，将功率输送到输出端的开关转换器，此特点使得电压模式或电流模式pwm(这里不要与pwm调光混淆)的降压稳压器之控制回路，比起升压稳压器或其他降压/升压拓扑更为迅速。此外，在控制开关启动期间的功率传输能够轻易改为磁滞控制，使其速度甚至比最佳的电压模式或电流模式控制的回路更快。第二，降压稳压器的器在囫囵开关周期内都是衔接在输出端，此可确保输出电流的延续性，也意谓毋须用法输出器。少了输出后，降压稳压器便可成为真正的高阻抗电流源，

9、能够快速转换输出电压。邱克型(cuk)和zeta转换器虽可提供延续性输出电感器，但因为它们的控制回路较慢，效率也较低，因此并非最佳挑选。pwm比“启动”接脚更快即使是一个没有输出电容器的纯磁滞降压稳压器，都不足以对付某些pwm调光系统的要求，这些应用需要较高的pwm调光频率、高对照度度，也就是要求更迅速的回转率和更短暂的延迟时光。与机械视觉辨识和工业检验系统搭配应用时，举例某些要求高性能的系统，包括液晶()面板和投影机的背光照明系统，在某些状况下，pwm调光频率必需被调高到可听频带以外的25khz或更高的频带，随着整体的调光周期已缩短至几微秒内，包括传导延迟在内，led电流的升高和下降时光总和

10、必需缩短至奈秒内。从一个没有输出电容器的迅速降压稳压器着手，浮现在输出电流开启和关闭的延迟，是来自集成电路本身的传导延迟和输出电感器的物理特性。若要达到真正高速的pwm调光，两个延迟都须被略过(by pass)。要实现这个目标，最佳办法就是采纳一个与led并联的电源开关(图3)。当led关闭时，驱动电流便会分流通过开关，作用就犹如一个典型的n型金属氧化场效晶体管(n-)，这时集成电路会继续运行，而电感器电流也会持续流淌。该办法的最大缺点在于led关闭时，即使期间的输出电压下降到与电流感测电压相同，仍会铺张功率。图3 分路fet电路和其波形利用分路场效应晶体管(fet)来举行调光会导致输出电压浮

11、现较为急剧的移位，这使得集成电路的控制回路必需作出响应，以尝试维持输出电流的稳定。正犹如规律接脚调光般，控制回路愈快表示响应愈好，而采纳磁滞控制的降压稳压器则可提供最佳的回应。利用升压和降压/升压 实现迅速的pwm调光无论是升压稳压器或任何类型的降压/升压拓扑都不太适合用在pwm调光。在开头设计的时候，会发现两者在延续导通模式(ccm)下都会呈现一个右半平面零点(right-half plane zero)限制，这将无法达到频率稳压器所需的高控制回路带宽要求。此外，右半平面零点的时域效应还会使系统难以磁滞方式去控制升压或降压/升压电路；另一个使状况变得更为复杂的因素是升压稳压器不能容忍输出电压

12、下降到输入电压以下，这种状况会导致在输入端产生短路，使得并列fet调光无法采取。另外，在各类的降压/升压拓扑技术中，并列fet调光仍然窒碍难行或极难用法，主因在于它需要输出电容器(se、降压/升压和返驰式)，又或在输出短路时会浮现无法控制的输入电感器电流(cuk和zeta)。如果真的需要一个迅速的pwm调光，最佳的解决计划是采纳两级系统，并以降压稳压器作为其次级led驱动级。不过，若尺寸空间和成本都不容许，退而求第二的最佳挑选便是图4中的串行开关。图4 采纳串行调光开关的升压稳压器虽然led电流可在眨眼关闭，但须认真考虑系统的响应，这种开放电路其实可看成一个迅速的极端卸除瞬时，它还会中断回馈回路并导致稳压器的输出电压无止境升高。因此，必要在输出和/或误差加入箝位电路，以预防超载电压所造成的伤害，但因为这些箝位电路难以用外部电路的方式实现，也就是说串行式fet调光必需协作专用升压与降压/