如何通過LED燈串調光實現(xiàn)照明器調色

在許多固態(tài)照明(SSL)應用中，如建筑、區(qū)域、射燈中，色彩的精度非常重要。目前市場上也存在許多可以在照明過程中調色的產品，可用于設置白點或CCT。LED是一種實現(xiàn)精確色彩照明的理想光源，其色彩變換可通過混合不同顏色的LED來實現(xiàn)，如紅、藍、綠這幾種單色來實現(xiàn)?；旌螸ED色彩時，需要調整一個或多個LED燈串的亮度以實現(xiàn)所需的顏色混合。用顏色混合來調整LED光照的方法有很多種，下文將逐一進行分析。 　　單個LED管芯只能發(fā)射單色光，要獲得多個顏色，可以同時使用三種主色(紅、綠、藍，RGB)LED以實現(xiàn)色彩混合。只需切換紅色、綠色和藍色LED通道，就可以生成7種基本色，即紅、綠、藍、黃、紫、白色以及淺綠色。要生成更多的色彩，就可以調整每個LED通道的亮度，這一步又可以通過調整流經每個 LED燈串的電流來實現(xiàn)。 　　從根本上說，實現(xiàn)LED調光的方式有兩種：模擬/線性電流控制，和脈沖寬度調制(PWM)。二者都是通過控制流經每個LED燈串的平均電流來調整LED的亮度，且都可以應用到開關電源或線性LED驅動器。圖1顯示的是一個基于TPS92660的雙燈串LED驅動器，包含一個巴克切換器和一個線性調節(jié)器。兩個LED燈串均可利用模擬或PWM技術進行調光，這兩項技術各有優(yōu)劣勢。在大多數應用中，調光方式的選擇一般基于色彩混合性能要求。 　　模擬調光 　　模擬調光是通過調整IC內部的LED電流參考電壓，或通過調整IC外部的LED電流檢測電壓來實現(xiàn)的。對于大多數LED驅動器(包括切換調節(jié)器和線性調節(jié)器)，LED電流由以下方程式決定： 　　其中VREF表示IC內部LED電流參考電壓，RSNS表示電流檢測電阻。 　　某些情況下可通過改變VREF來調整LED電流，但值得注意的是并非所有的LED驅動器 IC中的電流參考電壓都可調。對于那些可調的IC，通常有兩種方式可以實現(xiàn)：一是向參考電壓調節(jié)引腳施加模擬電壓(其中一個示例則為德州儀器的 LM3409)，二是利用諸如I2C的數字通信接口來調整參考電壓(示例為德州儀器的TPS92660，其中I2C接口允許用戶通過I2C命令實現(xiàn)LED電流參考電壓的調整)。 　　對于通過調整LED電流檢測電壓實現(xiàn)模擬調光的方法，由于大多數應用中的電流檢測電阻均小于1Ohm，使用電位計來改變此值顯得不甚實際。相反，通過注入外部DC電壓可改變IC的CS(電流檢測)電壓。圖2顯示的是以改變電流檢測電壓為運行原理的典型模擬調光電路，CS引腳的電壓由以下方程式決定： 　　在穩(wěn)態(tài)下，CS引腳電壓等于參考電壓。LED電流的調整可通過調整外部DC電壓VADJ或可變電阻器R2的值來實現(xiàn)。 　　然而在色彩混合應用中，模擬調光存在一項缺點。LED色溫會隨著電流變化而變化，且在模擬調光期間LED的亮度及顏色也可能會改變，特別是電流變化幅度較大時。因此在這些條件下系統(tǒng)可能無法生成所需的顏色。 　　PWM調光 　　PWM調光實際上是在固定的工作周期及頻率下打開和關閉LED。假設切換或多工速度足夠快(通常為200Hz或更高)，人眼幾乎察覺不到LED的開/關切換。采用PWM調光的LED電流由以下方程式決定： 　　其中IDIM是已調光LED電流，D為PWM調光信號的持續(xù)工作周期，ILED則是供應至已切換LED燈串的恒定電流。 　　許多LED驅動器IC均配有一個可接收由微控制器發(fā)出的PWM調光輸入信號的PWM調光輸入引腳。通常來說，驅動器IC僅在PWM調光信號弱時關閉 MOSFET驅動器。而MOSFET驅動器會在信號強時打開。在PWM調光關閉周期內，內部電路完全正常運作；這可以防止IC重啟，進而引起PWM調光上升沿的延遲。 　　對于開關電源LED驅動器，LED燈串中通常安裝了一個用于濾除高頻切換噪音的電容器。此電容器可以放緩PWM調光LED電流的上升沿和下降沿，因此在高頻、低工作周期PWM調光應用中，可以省去此電容器。圖3顯示的是無輸出電容器的LED巴克調節(jié)器PWM調光波形。 　　模擬-PWM調光 　　一些LED驅動器IC還具備模擬-PWM調光的功能：IC的調光引腳會接收模擬信號，并將其轉換為PWM調光信號。PWM調光頻率是固定的，而PWM調光工作周期與輸入模擬信號水平成比例。 　　模擬-PWM調光對于那些不適合使用微控制器的照明應用特別有用，也可用于在LED電流因LED板溫度高于設定點時進行調光而降低時，實施熱保護機制。 　　分流FETPWM調光 　　分流FET(場效應晶體管)PWM調光通常用于極高頻率LEDPWM調光。圖4顯示的是基于巴克調節(jié)器的分流FETPWM調光電路。外部分流FET與LED燈串并行安裝，以快速旁通(短接)變流器的輸出電流。當分流FET打開時，LED燈串關閉；分流FET關閉時，LED燈串打開。因此可以通過此分流FET有效地實現(xiàn)PWM調光。一些LED驅動器IC還集成了一個用于分流FETPWM調光的MOSFET驅動器，省卻了外部MOSFET驅動器的需要。 　　在分流FETPWM調光期間，切換調節(jié)器的電感電路保持連續(xù)，因此不會因電感電容遞增或遞減導致延遲。利用強大的MOSFET驅動器，分流FET可以以極快的速度打開或關閉。這樣一來，PWM調光的LED電流擁有非常銳利的上升沿和下降沿。分流FETPWM調光是高頻率PWM調光應用的理想之選。 　　要在LED色彩混合應用中實現(xiàn)所需的色彩和亮度，調光功能至關重要。在模擬調光和PWM調光兩大方法中，模擬調光可通過相對簡單的電路實現(xiàn)，且其成本較低，適用于無微控制器的系統(tǒng)。但它不適用于需要恒定色溫的應用，而PWM調光卻可以通過減少與LED電流水平相關的色彩變化來獲得非常精確的色溫。PWM 調光通常需要由微控制器發(fā)出的輸入數字信號進行控制，因而系統(tǒng)成本相對更高。