基于PWM技术加速调光频率来实现精准LED调光

无论LED是经由降压、升压、降压/升压或线性稳压器驱动，连接每一个驱动电路最常见的线程就是须要控制光的输出。现今仅有很少数的应用只需要开和关的简单功能，绝大多数都需要从0～100%去微调亮度。目前，针对亮度控制方面，主要的两种解决方案为线性调节LED的电流(模拟调光)或在肉眼无法察觉的高频下，让驱动电流从0到目标电流值之间来回切换(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简单的方法，原因是相同的技术可以用来控制大部分的开关转换器。 　　PWM调光能调配准确色光 　　一般来说，模拟调光比较容易实行，这是因为LED驱动器的输出电流变化与控制电压成比例，而且模拟调光也不会引发额外的电磁兼容性(EMC)/电磁干扰(EMI)潜在频率问题。然而，大部分设计采用PWM调光的理由都是基于LED的基本特性，即放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化，而在白光LED方面，出现变化的是相对色温(CCT)。对于人们的肉眼来说，很难察觉出红、绿或蓝光LED中的奈米波长变化，尤其是当光的强度也同样在改变，但是白光的色温变化则比较容易察觉出来。大多数的白光LED都包含一片可放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放射出各种可见光范围内的光子。 　　在较小的电流下，磷光会成为主导并使光线偏向黄色；而在较大电流下，LED放射出来的蓝光则较多，使得光线偏向蓝色，同时也会产生较高的CCT。对于使用超过一个白光LED的应用，在两个相邻LED之间出现的CCT差异会很明显，且视觉令人不悦，此概念可以进一步延伸将多个单色LED光线混和在一起的光源。一旦超过一个光源，任何出现在它们之间的CCT差异都会令人感到刺眼。 图1 采用PWM调光的LED驱动器及波形 　　LED制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调光的优点在于完全毋须考虑光的强弱，也能确保LED放射出设计人员所需的颜色。这种精确的控制对于红绿蓝(RGB)应用尤其重要，因为这些应用是将不同颜色的光线混和以产生白光。 　　从驱动器集成电路的角度看，模拟调光面临着输出电流准确性的严峻挑战。几乎所有的LED驱动器都在输出端加入某种形式的串行电阻来侦测电流，而所选用的电流感测电压VSNS会产生一个协调作用，使电路能保持高讯号讯噪比(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，就必须要调降VSNS，但如此一来，输出电流的准确性便会下降，直至VSNS的绝对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。一般来说，PWM调光除了可以提高准确性之外，对于低阶光输出的线性控制也较模拟调光强。 　　调光频率与对比度成反比 　　对于PWM调光讯号而言，每个LED都有限定的响应时间，图2表示三种不同的延迟，延迟愈大者表示能达到的对比度就愈低(对光强度控制的一种测量方法)。 图2 调光延迟 　　图2中的时间量tD表示由逻辑讯号VDIM上升开始，至LED驱动器开始增加输出电流开始之间的传播延迟，而时间量tSU则表示输出电流由0转换到目标电流所需的时间，至于时间量tSD代表输出电流从目标电流转换回0所需的时间。 　　在大多数的情况下，调光频率fDIM愈低，对比度就愈高，这是因为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，假如低于此频率，眼睛便不能再将脉冲混和成一个可见的连续光线。至于上限则取决于最低对比度的要求，对比度一般被表示成最低导通时间的倒数。 　　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，主因为高速摄影机和传感器的反应速度比人类眼睛快很多。在这类应用中，对于LED光源进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捉时间进行同步化。 　　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，须经过特别的设计考虑。针对标准电源供应而设计的稳压器一般都会设计一根「启动」或关闭接脚，以便供逻辑PWM讯号使用，但连带的延迟tD则颇长，这是由于硅芯片的设计强调在响应时间内维持低停机电流。然而，专用来驱动LED 的开关稳压器则恰好相反，它可在「启动」接脚逻辑低时，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，则会面临较大工作电流的困扰。 　　在使用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比度，而且还可减少LED花在由0到目标所需的时间。(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所有工作以减少这些回转率(Slew Rate)。要降低tSU和tSD，须要同时从硅芯片的设计和开关稳压器所采用的拓扑着手。 　　具备较快速回转率的降压稳压器，比其他所有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/升压拓扑更为快速。 　　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。其次，降压稳压器的电感器在整个开关周期内都是连接在输出端，此可确保输出电流的连续性，也意谓毋须使用输出电容器。少了输出电容器后，降压稳压器便可成为真正的高阻抗电流源，能够迅速转换输出电压。邱克型(Cuk)和Zeta转换器虽可提供连续性输出电感器，但由于它们的控制回路较慢，效率也较低，因此并非最佳选择。 　　PWM比“启动”接脚更怏 　　即使是一个没有输出电容器的纯磁滞降压稳压器，都不足以应付某些PWM调光系统的要求，这些应用需要较高的PWM调光频率、高对比度度，也就是要求更快速的回转率和更短暂的延迟时间。 　　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(LCD)面板和单枪投影机的背光照明系统，在某些情况下，PWM调光频率必须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电流的上升和下降时间总和必须缩短至奈秒内。 图3 分路FET电路和其波形 　　从一个没有输出电容器的快速降压稳压器着手，出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，最佳方法就是采用一个与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，作用就如同一个典型的N 型金属氧化半导体场效晶体管(N-MOSFET)，这时集成电路会继续运行，而电感器电流也会持续流动。该方法的最大缺点在于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，仍会浪费功率。利用分路场效应晶体管(FET)来进行调光会导致输出电压出现急遽的移位，这使得集成电路的控制回路必须作出响应，以尝试维持输出电流的稳定。正如同逻辑接脚调光般，控制回路愈快表示响应愈好，而采用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 实现快速的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。在开始设计的时候，会发觉两者在连续导通模式(CCM)下都会展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；另一个使情况变得更为复杂的因素是升压稳压器不能容忍输出电压下降到输入电压以下，这种情况会导致在输入端产生短路，使得并列FET调光无法实行。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使用，主因在于它需要输出电容器(SEPIC、降压/升压和返驰式)，又或在输出短路时会出现无法控制的输入电感器电流(Cuk和Zeta)。 　　假如真的需要一个快速的PWM调光，最佳的解决方案是采用两级系统，并以降压稳压器作为第二级LED驱动级。不过，若尺寸空间和成本都不容许，退而求其次的最佳选择便是图4中的串行开关。 图4 采用串行调光开关的升压稳压器 　　虽然LED电流可在瞬间关闭，但须仔细考虑系统的响应，这种开放电路其实可看成一个快速的极端卸除瞬时，它还会中断回馈回路并导致稳压器的输出电压无止境上升。因此，须要在输出和/或误差放大器加入箝位电路，以预防超载电压所造成的损害，但由于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调光必须配合专用升压与降压/升压LED驱动器集成电路才可使用。 　　要有效控制LED光源，必须在开始时的设计过程就加倍小心，光源愈是精密，须要采用PWM调光的机会就愈大，而系统设计人员也必须谨慎考虑有关LED驱动器的拓扑结构问题。降压稳压器对PWM调光有很多优点，设计人员必须慎重考虑输入电压和LED的排列位置。假如调光频率要求更高，回转率便要更快，如此可更轻易在设计过程的初期改用降压稳压器来实行。