基于PWM技術(shù)加速調(diào)光頻率來實現(xiàn)精準(zhǔn)LED調(diào)光

無論LED是經(jīng)由降壓、升壓、降壓/升壓或線性穩(wěn)壓器驅(qū)動，連接每一個驅(qū)動電路最常見的線程就是須要控制光的輸出?，F(xiàn)今僅有很少數(shù)的應(yīng)用只需要開和關(guān)的簡單功能，絕大多數(shù)都需要從0～100%去微調(diào)亮度。目前，針對亮度控制方面，主要的兩種解決方案為線性調(diào)節(jié)LED的電流(模擬調(diào)光)或在肉眼無法察覺的高頻下，讓驅(qū)動電流從0到目標(biāo)電流值之間來回切換(數(shù)字調(diào)光)。利用脈沖寬度調(diào)變(PWM)來設(shè)定循環(huán)和工作周期可能是實現(xiàn)數(shù)字調(diào)光的最簡單的方法，原因是相同的技術(shù)可以用來控制大部分的開關(guān)轉(zhuǎn)換器。 　　PWM調(diào)光能調(diào)配準(zhǔn)確色光 　　一般來說，模擬調(diào)光比較容易實行，這是因為LED驅(qū)動器的輸出電流變化與控制電壓成比例，而且模擬調(diào)光也不會引發(fā)額外的電磁兼容性(EMC)/電磁干擾(EMI)潛在頻率問題。然而，大部分設(shè)計采用PWM調(diào)光的理由都是基于LED的基本特性，即放射光的位移是與平均驅(qū)動電流的大小成比例(圖1)。 　　對于單色LED來說，主要光波的波長會發(fā)生變化，而在白光LED方面，出現(xiàn)變化的是相對色溫(CCT)。對于人們的肉眼來說，很難察覺出紅、綠或藍(lán)光LED中的奈米波長變化，尤其是當(dāng)光的強(qiáng)度也同樣在改變，但是白光的色溫變化則比較容易察覺出來。大多數(shù)的白光LED都包含一片可放射出藍(lán)光頻譜光子的晶圓，這些光子在撞擊磷光涂層后便會放射出各種可見光范圍內(nèi)的光子。 　　在較小的電流下，磷光會成為主導(dǎo)并使光線偏向黃色；而在較大電流下，LED放射出來的藍(lán)光則較多，使得光線偏向藍(lán)色，同時也會產(chǎn)生較高的CCT。對于使用超過一個白光LED的應(yīng)用，在兩個相鄰LED之間出現(xiàn)的CCT差異會很明顯，且視覺令人不悅，此概念可以進(jìn)一步延伸將多個單色LED光線混和在一起的光源。一旦超過一個光源，任何出現(xiàn)在它們之間的CCT差異都會令人感到刺眼。 圖1 采用PWM調(diào)光的LED驅(qū)動器及波形 　　LED制造商會在其產(chǎn)品的電流特性表中指定驅(qū)動電流的大小，其只會在這些特定電流條件下對產(chǎn)品的主波長或CCT提供保證。PWM調(diào)光的優(yōu)點在于完全毋須考慮光的強(qiáng)弱，也能確保LED放射出設(shè)計人員所需的顏色。這種精確的控制對于紅綠藍(lán)(RGB)應(yīng)用尤其重要，因為這些應(yīng)用是將不同顏色的光線混和以產(chǎn)生白光。 　　從驅(qū)動器集成電路的角度看，模擬調(diào)光面臨著輸出電流準(zhǔn)確性的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。幾乎所有的LED驅(qū)動器都在輸出端加入某種形式的串行電阻來偵測電流，而所選用的電流感測電壓VSNS會產(chǎn)生一個協(xié)調(diào)作用，使電路能保持高訊號訊噪比(SNR)，同時維持低功耗，由驅(qū)動器中的容限度、偏移和延遲所引致的誤差則相對保持固定。要在封閉回路系統(tǒng)中降低輸出電流，就必須要調(diào)降VSNS，但如此一來，輸出電流的準(zhǔn)確性便會下降，直至VSNS的絕對值等于誤差電壓為止，最后，輸出電流會變得無法控制，目標(biāo)輸出電流將不能被確定或保證。一般來說，PWM調(diào)光除了可以提高準(zhǔn)確性之外，對于低階光輸出的線性控制也較模擬調(diào)光強(qiáng)。 　　調(diào)光頻率與對比度成反比 　　對于PWM調(diào)光訊號而言，每個LED都有限定的響應(yīng)時間，圖2表示三種不同的延遲，延遲愈大者表示能達(dá)到的對比度就愈低(對光強(qiáng)度控制的一種測量方法)。 圖2 調(diào)光延遲 　　圖2中的時間量tD表示由邏輯訊號VDIM上升開始，至LED驅(qū)動器開始增加輸出電流開始之間的傳播延遲，而時間量tSU則表示輸出電流由0轉(zhuǎn)換到目標(biāo)電流所需的時間，至于時間量tSD代表輸出電流從目標(biāo)電流轉(zhuǎn)換回0所需的時間。 　　在大多數(shù)的情況下，調(diào)光頻率fDIM愈低，對比度就愈高，這是因為這些固定延遲只會占用少部分的調(diào)光周期TDIM。調(diào)光頻率fDIM的下限約為 120Hz，假如低于此頻率，眼睛便不能再將脈沖混和成一個可見的連續(xù)光線。至于上限則取決于最低對比度的要求，對比度一般被表示成最低導(dǎo)通時間的倒數(shù)。 　　機(jī)械視覺辨識和工業(yè)檢驗等應(yīng)用通常都需要較高的PWM調(diào)光頻率，主因為高速攝影機(jī)和傳感器的反應(yīng)速度比人類眼睛快很多。在這類應(yīng)用中，對于LED光源進(jìn)行高速開和關(guān)的目的不是要降低平均的光輸出量，而是要將光輸出與傳感器或攝影機(jī)的捕捉時間進(jìn)行同步化。 　　利用開關(guān)穩(wěn)壓器來調(diào)光 　　為了達(dá)到每秒開關(guān)數(shù)百次或甚至數(shù)千次，以開關(guān)穩(wěn)壓器為基礎(chǔ)的LED驅(qū)動器，須經(jīng)過特別的設(shè)計考慮。針對標(biāo)準(zhǔn)電源供應(yīng)而設(shè)計的穩(wěn)壓器一般都會設(shè)計一根「啟動」或關(guān)閉接腳，以便供邏輯PWM訊號使用，但連帶的延遲tD則頗長，這是由于硅芯片的設(shè)計強(qiáng)調(diào)在響應(yīng)時間內(nèi)維持低停機(jī)電流。然而，專用來驅(qū)動LED 的開關(guān)穩(wěn)壓器則恰好相反，它可在「啟動」接腳邏輯低時，保持內(nèi)部控制電路的活動，以將tD減至最低，而當(dāng)LED被關(guān)關(guān)時，則會面臨較大工作電流的困擾。 　　在使用PWM來達(dá)成光控制優(yōu)化時，要把轉(zhuǎn)上(Slew-up)和轉(zhuǎn)下(Slew-down)延遲維持在最低，這不單為了獲得最佳的對比度，而且還可減少LED花在由0到目標(biāo)所需的時間。(在此條件下，并不保證主波長或CCT與目標(biāo)值相同)在這里的標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)穩(wěn)壓器將設(shè)有一個軟啟動，通常也搭配一個軟關(guān)閉，而專用的LED驅(qū)動器會在其控制之內(nèi)執(zhí)行所有工作以減少這些回轉(zhuǎn)率(Slew Rate)。要降低tSU和tSD，須要同時從硅芯片的設(shè)計和開關(guān)穩(wěn)壓器所采用的拓?fù)渲帧? 　　具備較快速回轉(zhuǎn)率的降壓穩(wěn)壓器，比其他所有的開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在兩個地方表現(xiàn)更為優(yōu)異，首先降壓穩(wěn)壓器是唯一可在控制開關(guān)啟動時，將功率輸送到輸出端的開關(guān)轉(zhuǎn)換器，此特點使得電壓模式或電流模式PWM(這里不要與PWM調(diào)光混淆)的降壓穩(wěn)壓器之控制回路，比起升壓穩(wěn)壓器或其他降壓/升壓拓?fù)涓鼮榭焖佟? 　　此外，在控制開關(guān)啟動期間的功率傳輸能夠輕易改為磁滯控制，使其速度甚至比最佳的電壓模式或電流模式控制的回路更快。其次，降壓穩(wěn)壓器的電感器在整個開關(guān)周期內(nèi)都是連接在輸出端，此可確保輸出電流的連續(xù)性，也意謂毋須使用輸出電容器。少了輸出電容器后，降壓穩(wěn)壓器便可成為真正的高阻抗電流源，能夠迅速轉(zhuǎn)換輸出電壓。邱克型(Cuk)和Zeta轉(zhuǎn)換器雖可提供連續(xù)性輸出電感器，但由于它們的控制回路較慢，效率也較低，因此并非最佳選擇。 　　PWM比“啟動”接腳更怏 　　即使是一個沒有輸出電容器的純磁滯降壓穩(wěn)壓器，都不足以應(yīng)付某些PWM調(diào)光系統(tǒng)的要求，這些應(yīng)用需要較高的PWM調(diào)光頻率、高對比度度，也就是要求更快速的回轉(zhuǎn)率和更短暫的延遲時間。 　　與機(jī)械視覺辨識和工業(yè)檢驗系統(tǒng)搭配應(yīng)用時，舉例某些要求高性能的系統(tǒng)，包括液晶(LCD)面板和單槍投影機(jī)的背光照明系統(tǒng)，在某些情況下，PWM調(diào)光頻率必須被調(diào)高到可聽頻帶以外的25kHz或更高的頻帶，隨著整體的調(diào)光周期已縮短至幾微秒內(nèi)，包括傳導(dǎo)延遲在內(nèi)，LED電流的上升和下降時間總和必須縮短至奈秒內(nèi)。 圖3 分路FET電路和其波形 　　從一個沒有輸出電容器的快速降壓穩(wěn)壓器著手，出現(xiàn)在輸出電流開啟和關(guān)閉的延遲，是來自集成電路本身的傳導(dǎo)延遲和輸出電感器的物理特性。若要達(dá)到真正高速的PWM調(diào)光，兩個延遲都須被略過(By Pass)。要實現(xiàn)這個目標(biāo)，最佳方法就是采用一個與LED并聯(lián)的電源開關(guān)(圖3)。 　　當(dāng)LED關(guān)閉時，驅(qū)動電流便會分流通過開關(guān)，作用就如同一個典型的N 型金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管(N-MOSFET)，這時集成電路會繼續(xù)運(yùn)行，而電感器電流也會持續(xù)流動。該方法的最大缺點在于LED關(guān)閉時，即使期間的輸出電壓下降到與電流感測電壓相同，仍會浪費(fèi)功率。利用分路場效應(yīng)晶體管(FET)來進(jìn)行調(diào)光會導(dǎo)致輸出電壓出現(xiàn)急遽的移位，這使得集成電路的控制回路必須作出響應(yīng)，以嘗試維持輸出電流的穩(wěn)定。正如同邏輯接腳調(diào)光般，控制回路愈快表示響應(yīng)愈好，而采用磁滯控制的降壓穩(wěn)壓器則可提供最佳的回應(yīng)。 　　 利用升壓和降壓/升壓 實現(xiàn)快速的PWM調(diào)光 　　無論是升壓穩(wěn)壓器或任何類型的降壓/升壓拓?fù)涠疾惶m合用在PWM調(diào)光。在開始設(shè)計的時候，會發(fā)覺兩者在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)下都會展現(xiàn)一個右半平面零點(Right-half Plane Zero)限制，這將無法達(dá)到頻率穩(wěn)壓器所需的高控制回路帶寬要求。 　　此外，右半平面零點的時域效應(yīng)還會使系統(tǒng)難以磁滯方式去控制升壓或降壓/升壓電路；另一個使情況變得更為復(fù)雜的因素是升壓穩(wěn)壓器不能容忍輸出電壓下降到輸入電壓以下，這種情況會導(dǎo)致在輸入端產(chǎn)生短路，使得并列FET調(diào)光無法實行。另外，在各類的降壓/升壓拓?fù)浼夹g(shù)中，并列FET調(diào)光仍然窒礙難行或極難使用，主因在于它需要輸出電容器(SEPIC、降壓/升壓和返馳式)，又或在輸出短路時會出現(xiàn)無法控制的輸入電感器電流(Cuk和Zeta)。 　　假如真的需要一個快速的PWM調(diào)光，最佳的解決方案是采用兩級系統(tǒng)，并以降壓穩(wěn)壓器作為第二級LED驅(qū)動級。不過，若尺寸空間和成本都不容許，退而求其次的最佳選擇便是圖4中的串行開關(guān)。 圖4 采用串行調(diào)光開關(guān)的升壓穩(wěn)壓器 　　雖然LED電流可在瞬間關(guān)閉，但須仔細(xì)考慮系統(tǒng)的響應(yīng)，這種開放電路其實可看成一個快速的極端卸除瞬時，它還會中斷回饋回路并導(dǎo)致穩(wěn)壓器的輸出電壓無止境上升。因此，須要在輸出和/或誤差放大器加入箝位電路，以預(yù)防超載電壓所造成的損害，但由于這些箝位電路難以用外部電路的方式實現(xiàn)，也就是說串行式FET調(diào)光必須配合專用升壓與降壓/升壓LED驅(qū)動器集成電路才可使用。 　　要有效控制LED光源，必須在開始時的設(shè)計過程就加倍小心，光源愈是精密，須要采用PWM調(diào)光的機(jī)會就愈大，而系統(tǒng)設(shè)計人員也必須謹(jǐn)慎考慮有關(guān)LED驅(qū)動器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問題。降壓穩(wěn)壓器對PWM調(diào)光有很多優(yōu)點，設(shè)計人員必須慎重考慮輸入電壓和LED的排列位置。假如調(diào)光頻率要求更高，回轉(zhuǎn)率便要更快，如此可更輕易在設(shè)計過程的初期改用降壓穩(wěn)壓器來實行。