如何通過LED燈串調(diào)光實(shí)現(xiàn)照明器調(diào)色

在許多固態(tài)照明(SSL)應(yīng)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(diào)色的產(chǎn)品，可用于設(shè)置白點(diǎn)或CCT。LED是一種實(shí)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(shí)現(xiàn)，如紅、藍(lán)、綠這幾種單色來實(shí)現(xiàn)。混合LED色彩時(shí)，需要調(diào)整一個(gè)或多個(gè)LED燈串的亮度以實(shí)現(xiàn)所需的顏色混合。用顏色混合來調(diào)整LED光照的方法有很多種，下文將逐一進(jìn)行分析。 　　單個(gè)LED管芯只能發(fā)射單色光，要獲得多個(gè)顏色，可以同時(shí)使用三種主色(紅、綠、藍(lán)，RGB)LED以實(shí)現(xiàn)色彩混合。只需切換紅色、綠色和藍(lán)色LED通道，就可以生成7種基本色，即紅、綠、藍(lán)、黃、紫、白色以及淺綠色。要生成更多的色彩，就可以調(diào)整每個(gè)LED通道的亮度，這一步又可以通過調(diào)整流經(jīng)每個(gè) LED燈串的電流來實(shí)現(xiàn)。 　　從根本上說，實(shí)現(xiàn)LED調(diào)光的方式有兩種：模擬/線性電流控制，和脈沖寬度調(diào)制(PWM)。二者都是通過控制流經(jīng)每個(gè)LED燈串的平均電流來調(diào)整LED的亮度，且都可以應(yīng)用到開關(guān)電源或線性LED驅(qū)動(dòng)器。圖1顯示的是一個(gè)基于TPS92660的雙燈串LED驅(qū)動(dòng)器，包含一個(gè)巴克切換器和一個(gè)線性調(diào)節(jié)器。兩個(gè)LED燈串均可利用模擬或PWM技術(shù)進(jìn)行調(diào)光，這兩項(xiàng)技術(shù)各有優(yōu)劣勢。在大多數(shù)應(yīng)用中，調(diào)光方式的選擇一般基于色彩混合性能要求。 　　模擬調(diào)光 　　模擬調(diào)光是通過調(diào)整IC內(nèi)部的LED電流參考電壓，或通過調(diào)整IC外部的LED電流檢測電壓來實(shí)現(xiàn)的。對于大多數(shù)LED驅(qū)動(dòng)器(包括切換調(diào)節(jié)器和線性調(diào)節(jié)器)，LED電流由以下方程式?jīng)Q定： 　　其中VREF表示IC內(nèi)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(diào)整LED電流，但值得注意的是并非所有的LED驅(qū)動(dòng)器 IC中的電流參考電壓都可調(diào)。對于那些可調(diào)的IC，通常有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)：一是向參考電壓調(diào)節(jié)引腳施加模擬電壓(其中一個(gè)示例則為德州儀器的 LM3409)，二是利用諸如I2C的數(shù)字通信接口來調(diào)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(shí)現(xiàn)LED電流參考電壓的調(diào)整)。 　　對于通過調(diào)整LED電流檢測電壓實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)光的方法，由于大多數(shù)應(yīng)用中的電流檢測電阻均小于1Ohm，使用電位計(jì)來改變此值顯得不甚實(shí)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(yùn)行原理的典型模擬調(diào)光電路，CS引腳的電壓由以下方程式?jīng)Q定： 　　在穩(wěn)態(tài)下，CS引腳電壓等于參考電壓。LED電流的調(diào)整可通過調(diào)整外部DC電壓VADJ或可變電阻器R2的值來實(shí)現(xiàn)。 　　然而在色彩混合應(yīng)用中，模擬調(diào)光存在一項(xiàng)缺點(diǎn)。LED色溫會(huì)隨著電流變化而變化，且在模擬調(diào)光期間LED的亮度及顏色也可能會(huì)改變，特別是電流變化幅度較大時(shí)。因此在這些條件下系統(tǒng)可能無法生成所需的顏色。 　　PWM調(diào)光 　　PWM調(diào)光實(shí)際上是在固定的工作周期及頻率下打開和關(guān)閉LED。假設(shè)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(guān)切換。采用PWM調(diào)光的LED電流由以下方程式?jīng)Q定： 　　其中IDIM是已調(diào)光LED電流，D為PWM調(diào)光信號(hào)的持續(xù)工作周期，ILED則是供應(yīng)至已切換LED燈串的恒定電流。 　　許多LED驅(qū)動(dòng)器IC均配有一個(gè)可接收由微控制器發(fā)出的PWM調(diào)光輸入信號(hào)的PWM調(diào)光輸入引腳。通常來說，驅(qū)動(dòng)器IC僅在PWM調(diào)光信號(hào)弱時(shí)關(guān)閉 MOSFET驅(qū)動(dòng)器。而MOSFET驅(qū)動(dòng)器會(huì)在信號(hào)強(qiáng)時(shí)打開。在PWM調(diào)光關(guān)閉周期內(nèi)，內(nèi)部電路完全正常運(yùn)作；這可以防止IC重啟，進(jìn)而引起PWM調(diào)光上升沿的延遲。 　　對于開關(guān)電源LED驅(qū)動(dòng)器，LED燈串中通常安裝了一個(gè)用于濾除高頻切換噪音的電容器。此電容器可以放緩PWM調(diào)光LED電流的上升沿和下降沿，因此在高頻、低工作周期PWM調(diào)光應(yīng)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(diào)節(jié)器PWM調(diào)光波形。 　　模擬-PWM調(diào)光 　　一些LED驅(qū)動(dòng)器IC還具備模擬-PWM調(diào)光的功能：IC的調(diào)光引腳會(huì)接收模擬信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為PWM調(diào)光信號(hào)。PWM調(diào)光頻率是固定的，而PWM調(diào)光工作周期與輸入模擬信號(hào)水平成比例。 　　模擬-PWM調(diào)光對于那些不適合使用微控制器的照明應(yīng)用特別有用，也可用于在LED電流因LED板溫度高于設(shè)定點(diǎn)時(shí)進(jìn)行調(diào)光而降低時(shí)，實(shí)施熱保護(hù)機(jī)制。 　　分流FETPWM調(diào)光 　　分流FET(場效應(yīng)晶體管)PWM調(diào)光通常用于極高頻率LEDPWM調(diào)光。圖4顯示的是基于巴克調(diào)節(jié)器的分流FETPWM調(diào)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(dāng)分流FET打開時(shí)，LED燈串關(guān)閉；分流FET關(guān)閉時(shí)，LED燈串打開。因此可以通過此分流FET有效地實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光。一些LED驅(qū)動(dòng)器IC還集成了一個(gè)用于分流FETPWM調(diào)光的MOSFET驅(qū)動(dòng)器，省卻了外部MOSFET驅(qū)動(dòng)器的需要。 　　在分流FETPWM調(diào)光期間，切換調(diào)節(jié)器的電感電路保持連續(xù)，因此不會(huì)因電感電容遞增或遞減導(dǎo)致延遲。利用強(qiáng)大的MOSFET驅(qū)動(dòng)器，分流FET可以以極快的速度打開或關(guān)閉。這樣一來，PWM調(diào)光的LED電流擁有非常銳利的上升沿和下降沿。分流FETPWM調(diào)光是高頻率PWM調(diào)光應(yīng)用的理想之選。 　　要在LED色彩混合應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)所需的色彩和亮度，調(diào)光功能至關(guān)重要。在模擬調(diào)光和PWM調(diào)光兩大方法中，模擬調(diào)光可通過相對簡單的電路實(shí)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(yīng)用，而PWM調(diào)光卻可以通過減少與LED電流水平相關(guān)的色彩變化來獲得非常精確的色溫。PWM 調(diào)光通常需要由微控制器發(fā)出的輸入數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制，因而系統(tǒng)成本相對更高。