實(shí)現(xiàn)不影響LED光線質(zhì)量解決方案所需的設(shè)計(jì)步驟

隨著傳統(tǒng)照明到發(fā)光二極管 (LED) 的快速發(fā)展，以及越來(lái)越多的解決方案推向市場(chǎng)，消費(fèi)者對(duì)于其選擇的產(chǎn)品越來(lái)越講究。 特別具有對(duì)比度和無(wú)色度變化范圍大或可察覺(jué)閃爍的線性調(diào)光，被認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的標(biāo)志。

設(shè)計(jì)人員的難點(diǎn)在于，與傳統(tǒng)白熾燈或日光燈照明不同，要在保持光線質(zhì)量的同時(shí)對(duì) LED 調(diào)光并非易事。 雖可進(jìn)行模擬調(diào)光，但這會(huì)造成明顯的色度和發(fā)射光“溫度”偏移。

一種現(xiàn)有技術(shù)是通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng) LED 的正向電流進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制 (PWM)，來(lái)進(jìn)行 LED 調(diào)光。 其基本前提是，在 PWM 串的“導(dǎo)通”周期中，LED 在最佳正向電流/正向電壓條件下工作。 因此，光線質(zhì)量好，并且感受到的亮度與 PWM 串的占空比成線性比例。

設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)在于設(shè)計(jì)能與模塊化開(kāi)關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器協(xié)調(diào)工作的 PWM 電路，這種轉(zhuǎn)換器通常用作 LED 電源，即“驅(qū)動(dòng)器”。 若不采用這種補(bǔ)充方法，則很容易造成諸如電磁干擾 (EMI)、有限對(duì)比度（最大亮度/最小亮度）和可察覺(jué)的閃爍（這會(huì)影響到健康）等問(wèn)題。

本文基于目前各種 LED 驅(qū)動(dòng)器考慮 PWM LED 調(diào)光電路的設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)介紹實(shí)現(xiàn)不影響光線質(zhì)量的解決方案所需的設(shè)計(jì)步驟。

模擬調(diào)光的缺點(diǎn)

LED 需要恒流/恒壓電源，才能以良好的光線質(zhì)量保持高效工作。 （光線質(zhì)量已成為關(guān)鍵產(chǎn)品區(qū)分因素、以及主要供應(yīng)商完善其終端產(chǎn)品的努力方向。 請(qǐng)參閱資料庫(kù)文章《廠商開(kāi)始關(guān)注光線質(zhì)量以增加 LED 市場(chǎng)份額收益》。）

可以在一定程度上根據(jù)最終產(chǎn)品規(guī)格靈活選擇工作點(diǎn)。 例如，LED 的光通量與正向電流成比例，因此設(shè)計(jì)人員可以選擇以較高正向電流驅(qū)動(dòng) LED，以提升亮度，從而減少給定設(shè)計(jì)規(guī)格所需的 LED 數(shù)量。 （請(qǐng)參閱資料庫(kù)文章《最佳亮度的照明設(shè)計(jì)》。）

圖 1 顯示 OSRAM Opto Semiconductors 的 Duris S5E 白光 LED 的正向電流與亮度特點(diǎn)。 OSRAM 器件基于成熟的技術(shù)，是主流照明應(yīng)用的普遍選擇。 這種 LED 在 6.35 V/150 mA 條件下可產(chǎn)生 118 lm，在該工作點(diǎn)下的效率據(jù)稱(chēng)可達(dá)到 123 lm/W。 例如，相比 150 mA 時(shí)產(chǎn)生的亮度，將正向電流降低到 100 mA 可將亮度調(diào)低 30%。

圖 1： OSRAM Duris S5E 白光 LED 在正向電流和亮度之間近乎呈線性關(guān)系。 （來(lái)源： OSRAM Opto Semiconductors）

熟悉白熾燈照明調(diào)光的消費(fèi)者自然需要 LED 替代品的類(lèi)似功能。 這些功能的亮點(diǎn)在于可在較廣的亮度范圍內(nèi)進(jìn)行精細(xì)分辨率調(diào)光。 顯然，滿足該需求的簡(jiǎn)單方法是設(shè)計(jì)一種模擬調(diào)光電路，該電路可通過(guò) LED 電源或“驅(qū)動(dòng)器”來(lái)降低驅(qū)動(dòng) LED 工作的正向電壓/正向電流。

遺憾的是，模擬調(diào)光法存在一些明顯的缺點(diǎn)。 其中主要有能效影響（輸出 (lm)/輸入功率 (W)）、由于最小正向電流閾值造成的受限對(duì)比度、精確控制典型 LED 驅(qū)動(dòng)器較大范圍輸出電流的設(shè)計(jì)復(fù)雜度增加，以及影響最大的是，LED 的相關(guān)色溫 (CCT) 隨正向電壓/正向電流變化而變化。

CCT 決定了 LED 的表面熱度，是光線質(zhì)量的關(guān)鍵衡量指標(biāo)。 減小正向電壓/正向電流，將對(duì)當(dāng)今大多數(shù)“白光”LED 產(chǎn)品核心中的藍(lán)色 LED 發(fā)出的光線波長(zhǎng)產(chǎn)生微妙的影響。 現(xiàn)代照明應(yīng)用的高亮度 LED 結(jié)合了含釔鋁石榴石 (YAG) 磷光體的寶藍(lán)色 LED。 部分 LED 的藍(lán)光子直接從器件中逸出，而大多數(shù)與形成（主要是）黃光的磷光體相結(jié)合。 藍(lán)光與黃光的組合與白光近似。

LED 廠商隨后會(huì)對(duì)磷光體稍作改動(dòng)，將白光的“溫度”從冷（偏藍(lán)）色調(diào)修改為暖（黃）陰影，從而讓制造商可提供各種顏色選擇，以適應(yīng)個(gè)人喜好。 CCT 從數(shù)量上定義了 LED 光的溫度。 （請(qǐng)參閱資料庫(kù)文章《定義白光 LED 的色彩特征》。）

廠商規(guī)定了 LED 在特定正向電壓/正向電流工作點(diǎn)下的 CCT。 設(shè)計(jì)人員從特定 CCT“分檔”中選擇 LED，他們知道從該分檔中選擇的所有產(chǎn)品都將發(fā)出幾乎相同的 CCT。 雖然領(lǐng)先制造商通常還提供 CCT 如何隨正向電壓/正向電流變化的信息，但他們并不保證特定產(chǎn)品在超出推薦參數(shù)以外的工作點(diǎn)的性能。 尤其是，LED 制造商不保證來(lái)自相同分檔的器件在建議工作點(diǎn)以外的任何點(diǎn)產(chǎn)生相同的 CCT。 圖 2 說(shuō)明了 OSRAM LED 的色度坐標(biāo)（決定其 CCT）如何隨正向電流變化。

圖 2： LED 的色度和 CCT 隨正向電壓變化。 在較大范圍的正向電流中，可以通過(guò)肉眼觀察這些變化。 （來(lái)源： OSRAM）

然而糟糕的是，肉眼并不擅長(zhǎng)觀察細(xì)微顏色變化（例如，純紅色、綠色或藍(lán)色 LED 發(fā)出的光子波長(zhǎng)差異在被發(fā)現(xiàn)之前會(huì)顯著變化），但對(duì) CCT 變化非常敏感。 因此，消費(fèi)者完全有可能會(huì)注意到由來(lái)自相同分檔的 LED 驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)裝置在相同程度的模擬調(diào)光下顏色變化比較大。 （請(qǐng)參閱資料庫(kù)文章《數(shù)字調(diào)光解決 LED 顏色難題》，以獲取本主題的詳細(xì)技術(shù)說(shuō)明。）

用 PWM 調(diào)光解決 CCT 挑戰(zhàn)

近年來(lái)，PWM 被用作優(yōu)質(zhì) LED 照明的首選調(diào)光技術(shù)。 在 PWM 串的“導(dǎo)通”周期中，LED 在推薦的正向電壓/正向電流工作點(diǎn)下被驅(qū)動(dòng) — 確保 CCT 在規(guī)格書(shū)的參數(shù)范圍內(nèi)。 PWM 串占空比（脈沖時(shí)長(zhǎng) (tP) 與信號(hào)周期 (T) 之比）決定平均電流，從而決定感受到的亮度。

圖 3 顯示了三種不同的脈沖串，它們都在恒定正向電流下工作。 頂部示例顯示的是中等照明，中間示例較暗，底部示例則較亮。 圖 4 顯示了占空比與正向電壓之間的線性特征。

圖 3： 改變 PWM 脈沖串占空比可改變 LED 平均正向電流以及亮度（自上：中、低、高亮度），同時(shí)在導(dǎo)通期間保持特定工作電流。 （來(lái)源： OSRAM）

圖 4： 占空比與 LED 亮度線性相關(guān)。 （來(lái)源： OSRAM）

來(lái)自主要供應(yīng)商的現(xiàn)代 LED 驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)設(shè)計(jì)有 PWM 調(diào)光功能。 許多芯片采用 PWM 或 DIM 引腳實(shí)現(xiàn)從 PWM 發(fā)生器的直接輸入，以確定驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)通、關(guān)斷周期。 但是，仔細(xì)權(quán)衡 LED 驅(qū)動(dòng)器的選擇將獲益匪淺，因?yàn)槠渲杏幸恍╆P(guān)鍵因素可區(qū)分優(yōu)秀和不良 LED 數(shù)字調(diào)光設(shè)計(jì)。

一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是 PWM 串的頻率（即 fDIM）。 fDIM 的最小值由肉眼對(duì)閃爍的靈敏度決定。 近期的照明設(shè)計(jì)指南指出，如果不產(chǎn)生長(zhǎng)期健康影響，則 fDIM 應(yīng)當(dāng)大于 80 - 100 Hz。 （請(qǐng)參閱資料庫(kù)文章《新的閃爍建議將如何影響 LED 照明設(shè)計(jì)》。）

然而設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)行權(quán)衡，因?yàn)轭l率越高，對(duì)比度影響就越大。 這是因?yàn)榧词棺詈玫?LED 驅(qū)動(dòng)器也需要特定時(shí)間來(lái)響應(yīng) PWM 輸入。 圖 5 說(shuō)明了什么情況下出現(xiàn)這些時(shí)間延遲。

圖 5： LED 驅(qū)動(dòng)器在響應(yīng)調(diào)光 PWM 信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的延遲。 這些延遲決定了調(diào)光系統(tǒng)的最大對(duì)比度。 （來(lái)源：Texas Instruments）

在圖 5 中，tD 表示從 PWM 信號(hào) (VDIM) 變高的時(shí)間到驅(qū)動(dòng) LED 的正向電流響應(yīng)時(shí)間的傳播延遲。 （tSU 和 tSD 分別是 LED 正向電流轉(zhuǎn)上和轉(zhuǎn)下時(shí)間。） 壓擺率限制最小和最大占空比（DMIN 和 DMAX），以及對(duì)比度。

降低 fDIM 一般會(huì)提高對(duì)比度，這是因?yàn)?T 相對(duì)較長(zhǎng)，即使對(duì)于低占空比，固定壓擺率的 LED 驅(qū)動(dòng)器有充足的時(shí)間達(dá)到所需的正向電流/正向電壓，然后回落到零。

（注意，對(duì)于任何 PWM 調(diào)光頻率選擇，最好選擇具有有限壓擺的 LED 驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)?LED 的開(kāi)啟時(shí)間可使它在 PWM 信號(hào)的前沿過(guò)早點(diǎn)亮（因此正向電壓/正向電流超出規(guī)格），使得消費(fèi)者面臨困擾模擬調(diào)光的相同 CCT 變化。）

對(duì)比率 (CR) 通常以最小導(dǎo)通時(shí)間的倒數(shù)表示：

常規(guī)用途的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器并非設(shè)計(jì)用于反復(fù)開(kāi)關(guān)，因此廠商很少關(guān)注壓擺。 許多情況下，這些穩(wěn)壓器還具備軟啟動(dòng)和軟關(guān)斷模式（以防電壓尖峰），它可延長(zhǎng)壓擺。 相比而言，調(diào)光應(yīng)用的 LED 驅(qū)動(dòng)器則設(shè)計(jì)為較短的壓擺時(shí)間。

由于兩個(gè)不同原因，基于開(kāi)關(guān)式降壓調(diào)壓器的 LED 驅(qū)動(dòng)器具有最短的壓擺時(shí)間。 首先，降壓穩(wěn)壓器在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)向輸出提供電源，使控制回路比“升壓”或“降壓-升壓”拓?fù)涓臁?其次，降壓穩(wěn)壓器的電感器在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期中連接到輸出，確保連續(xù)輸出電流，且無(wú)需輸出電容器。 不使用電容器使得驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓/電流非?？焖俚剞D(zhuǎn)換。[1] 仔細(xì)挑選降壓穩(wěn)壓器能實(shí)現(xiàn) kHz 范圍的 PWM 調(diào)光頻率，雖然可能對(duì)于主流照明并沒(méi)有必要，但對(duì)于工業(yè)圖像識(shí)別任務(wù)的高速選通等應(yīng)用卻大有益處。

設(shè)計(jì) PWM 調(diào)光 LED 電源

有三種方法可以設(shè)計(jì)帶 PWM 調(diào)光的 LED 電源： 用單獨(dú)的元器件重新開(kāi)發(fā)電路；匹配帶 PWM 輸入的降壓 LED 驅(qū)動(dòng)器和 PWM 電路；或者用專(zhuān)用 PWM 發(fā)生器更換 PWM 電路。

第一種方法不適用于資金緊張的情況，但如果預(yù)算和空間情況良好，也可以采用。 我們現(xiàn)在看看其他兩種方法，它們基于一些來(lái)自各大主要供應(yīng)商的成熟集成模塊化電源管理設(shè)備。

Texas Instruments 提供一種簡(jiǎn)單但相對(duì)昂貴的 PWM 可調(diào)光解決方案，它集成了 LED 驅(qū)動(dòng)器控制功能，設(shè)計(jì)人員可靈活選擇用于驅(qū)動(dòng) LED 的外部 MOSFET。 LM3421 是一款適用于 LED 電源的高壓 N 溝道 MOSFET 控制器。 該芯片可在降壓、升壓、降壓-升壓和單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器 (SEPIC) 拓?fù)渲信渲谩?/p>

在本文特定背景下，LM3421 集成了可用于調(diào)光的 nDIM 引腳。 TI 推薦了兩種調(diào)光方法，第一種使用通過(guò)肖特基二極管實(shí)現(xiàn)的反相 PWM 脈沖串 (DDIM)，第二種使用通過(guò)調(diào)光 MOSFET 應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn) PWM 信號(hào) (QDIM)。 如果應(yīng)用需要高 PWM 頻率和良好對(duì)比度，第二種方法很有用，因?yàn)樗杉铀?LED 驅(qū)動(dòng)器控制器的壓擺率。 圖 6 顯示了 LM3421 的 PWM 調(diào)光選項(xiàng)。

圖 6： TI 推薦了兩種可用于其 LM3421 LED 驅(qū)動(dòng)器控制器的 PWM 調(diào)光技術(shù)，使用肖特基二極管，或?yàn)樾枰?PWM 頻率的應(yīng)用使用 MOSFET。

就其本身而言，Maxim Integrated 最近引入了帶內(nèi)置調(diào)光功能的 LED 驅(qū)動(dòng)器，無(wú)需外部元器件，并且禁用 PWM 信號(hào)發(fā)生器。 MAX16819 是一款在 4.5 V 至 28 V 輸入范圍內(nèi)工作的降壓 LED 驅(qū)動(dòng)器，并帶有 5 V/10 mA 板載穩(wěn)壓器。 采用上述 TI 器件后，該芯片的 DRV 輸出設(shè)計(jì)為可為外部 MOSFET 供電，它連接到 LED 并有助于減少壓擺。

該芯片的主要特性在于其滯后控制算法，Maxim Integrated 宣稱(chēng)可確保 PWM 調(diào)光工作期間的快速響應(yīng)，并能實(shí)現(xiàn)高達(dá) 20 kHz 的 PWM 頻率，以滿足要求該頻率的應(yīng)用。 該器件具有高達(dá) 2 MHz 的開(kāi)關(guān)頻率，因此能讓設(shè)計(jì)人員選擇緊湊的外部元器件。 圖 7 顯示了驅(qū)動(dòng) LED 的正向電流如何快速響應(yīng)調(diào)光電壓變化。

圖 7： Maxim Integrated 的 MAX16819 采用滯后控制算法，該算法可加速對(duì) PWM 調(diào)光輸入的響應(yīng)。 該圖闡明了 LED 電流 400 mA、50% 占空比時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)。

對(duì)于高端（但顯然更昂貴）解決方案，Linear Technology 提供 LT8500 48 通道 LED PWM 發(fā)生器。 該芯片可與該公司產(chǎn)品中的三款 LT3595 16 通道降壓模式 LED 驅(qū)動(dòng)器組合，用于 PWM 可調(diào)光照明解決方案，該方案在電流達(dá)到 50 mA 時(shí)能為 480 個(gè) LED 供電。

LT3595A 是降壓 LED 驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng) 16 個(gè)獨(dú)立通道，每個(gè)通道最多十個(gè) LED。 該芯片集成了開(kāi)關(guān)、肖特基二極管和補(bǔ)償元器件，以減少電路基底面并降低元器件成本。 該芯片在 4.5 V 至 45 V 輸入范圍內(nèi)運(yùn)行，在 2 MHz 開(kāi)關(guān)頻率下工作（允許使用小電感器和電容器）。

通過(guò)將 PWM 輸入應(yīng)用到 16 個(gè)單獨(dú)的 PWM 引腳，為每個(gè)通道控制調(diào)光。 該器件具有快速轉(zhuǎn)上和轉(zhuǎn)下壓擺率，最大對(duì)比度為 5000:1。

LT8500 LED PWM 發(fā)生器在 3 V 至 5.5 V 輸入下工作，具有 48 個(gè)獨(dú)立通道，可用于直接控制三個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)器。 每個(gè)通道有單獨(dú)的可調(diào)節(jié) PWM 寄存器。

LT8500 可以獨(dú)立調(diào)節(jié)每個(gè)通道的亮度。 12 位 PWM 寄存器 – 可通過(guò)簡(jiǎn)單串行數(shù)據(jù)接口編程 – 可實(shí)現(xiàn) 4095 種最大 LED 輸出 0 - 99.98% 的不同亮度等級(jí)。 圖 8 顯示了如何配置 LT8500 以驅(qū)動(dòng)三個(gè) LT3595A 降壓 LED 驅(qū)動(dòng)器。 注意，RSET 電阻器設(shè)置各 LED 驅(qū)動(dòng)器上所有 16 個(gè)通道的 LED 電流。

圖 8： Linear Technology 的 LT8500 可為三個(gè) LT3595 降壓 LED 驅(qū)動(dòng)器提供 PWM 調(diào)光輸入。 反過(guò)來(lái)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器可為最多 160 個(gè) LED 供電。 （根據(jù) Linear Technology 提供的原圖，用 Digi-Key Scheme-it 繪制的原理圖。）