如何通过LED灯串调光实现照明器调色

在许多固态照明(SSL)应用中，如建筑、区域、射灯中，色彩的精度非常重要。目前市场上也存在许多可以在照明过程中调色的产品，可用于设置白点或CCT。LED是一种实现精确色彩照明的理想光源，其色彩变换可通过混合不同颜色的LED来实现，如红、蓝、绿这几种单色来实现。混合LED色彩时，需要调整一个或多个LED灯串的亮度以实现所需的颜色混合。用颜色混合来调整LED光照的方法有很多种，下文将逐一进行分析。 　　单个LED管芯只能发射单色光，要获得多个颜色，可以同时使用三种主色(红、绿、蓝，RGB)LED以实现色彩混合。只需切换红色、绿色和蓝色LED通道，就可以生成7种基本色，即红、绿、蓝、黄、紫、白色以及浅绿色。要生成更多的色彩，就可以调整每个LED通道的亮度，这一步又可以通过调整流经每个 LED灯串的电流来实现。 　　从根本上说，实现LED调光的方式有两种：模拟/线性电流控制，和脉冲宽度调制(PWM)。二者都是通过控制流经每个LED灯串的平均电流来调整LED的亮度，且都可以应用到开关电源或线性LED驱动器。图1显示的是一个基于TPS92660的双灯串LED驱动器，包含一个巴克切换器和一个线性调节器。两个LED灯串均可利用模拟或PWM技术进行调光，这两项技术各有优劣势。在大多数应用中，调光方式的选择一般基于色彩混合性能要求。 　　模拟调光 　　模拟调光是通过调整IC内部的LED电流参考电压，或通过调整IC外部的LED电流检测电压来实现的。对于大多数LED驱动器(包括切换调节器和线性调节器)，LED电流由以下方程式决定： 　　其中VREF表示IC内部LED电流参考电压，RSNS表示电流检测电阻。 　　某些情况下可通过改变VREF来调整LED电流，但值得注意的是并非所有的LED驱动器 IC中的电流参考电压都可调。对于那些可调的IC，通常有两种方式可以实现：一是向参考电压调节引脚施加模拟电压(其中一个示例则为德州仪器的 LM3409)，二是利用诸如I2C的数字通信接口来调整参考电压(示例为德州仪器的TPS92660，其中I2C接口允许用户通过I2C命令实现LED电流参考电压的调整)。 　　对于通过调整LED电流检测电压实现模拟调光的方法，由于大多数应用中的电流检测电阻均小于1Ohm，使用电位计来改变此值显得不甚实际。相反，通过注入外部DC电压可改变IC的CS(电流检测)电压。图2显示的是以改变电流检测电压为运行原理的典型模拟调光电路，CS引脚的电压由以下方程式决定： 　　在稳态下，CS引脚电压等于参考电压。LED电流的调整可通过调整外部DC电压VADJ或可变电阻器R2的值来实现。 　　然而在色彩混合应用中，模拟调光存在一项缺点。LED色温会随着电流变化而变化，且在模拟调光期间LED的亮度及颜色也可能会改变，特别是电流变化幅度较大时。因此在这些条件下系统可能无法生成所需的颜色。 　　PWM调光 　　PWM调光实际上是在固定的工作周期及频率下打开和关闭LED。假设切换或多工速度足够快(通常为200Hz或更高)，人眼几乎察觉不到LED的开/关切换。采用PWM调光的LED电流由以下方程式决定： 　　其中IDIM是已调光LED电流，D为PWM调光信号的持续工作周期，ILED则是供应至已切换LED灯串的恒定电流。 　　许多LED驱动器IC均配有一个可接收由微控制器发出的PWM调光输入信号的PWM调光输入引脚。通常来说，驱动器IC仅在PWM调光信号弱时关闭 MOSFET驱动器。而MOSFET驱动器会在信号强时打开。在PWM调光关闭周期内，内部电路完全正常运作；这可以防止IC重启，进而引起PWM调光上升沿的延迟。 　　对于开关电源LED驱动器，LED灯串中通常安装了一个用于滤除高频切换噪音的电容器。此电容器可以放缓PWM调光LED电流的上升沿和下降沿，因此在高频、低工作周期PWM调光应用中，可以省去此电容器。图3显示的是无输出电容器的LED巴克调节器PWM调光波形。 　　模拟-PWM调光 　　一些LED驱动器IC还具备模拟-PWM调光的功能：IC的调光引脚会接收模拟信号，并将其转换为PWM调光信号。PWM调光频率是固定的，而PWM调光工作周期与输入模拟信号水平成比例。 　　模拟-PWM调光对于那些不适合使用微控制器的照明应用特别有用，也可用于在LED电流因LED板温度高于设定点时进行调光而降低时，实施热保护机制。 　　分流FETPWM调光 　　分流FET(场效应晶体管)PWM调光通常用于极高频率LEDPWM调光。图4显示的是基于巴克调节器的分流FETPWM调光电路。外部分流FET与LED灯串并行安装，以快速旁通(短接)变流器的输出电流。当分流FET打开时，LED灯串关闭；分流FET关闭时，LED灯串打开。因此可以通过此分流FET有效地实现PWM调光。一些LED驱动器IC还集成了一个用于分流FETPWM调光的MOSFET驱动器，省却了外部MOSFET驱动器的需要。 　　在分流FETPWM调光期间，切换调节器的电感电路保持连续，因此不会因电感电容递增或递减导致延迟。利用强大的MOSFET驱动器，分流FET可以以极快的速度打开或关闭。这样一来，PWM调光的LED电流拥有非常锐利的上升沿和下降沿。分流FETPWM调光是高频率PWM调光应用的理想之选。 　　要在LED色彩混合应用中实现所需的色彩和亮度，调光功能至关重要。在模拟调光和PWM调光两大方法中，模拟调光可通过相对简单的电路实现，且其成本较低，适用于无微控制器的系统。但它不适用于需要恒定色温的应用，而PWM调光却可以通过减少与LED电流水平相关的色彩变化来获得非常精确的色温。PWM 调光通常需要由微控制器发出的输入数字信号进行控制，因而系统成本相对更高。