利用開關(guān)穩(wěn)壓器來調(diào)光 - 詳解LED PWM調(diào)光技術(shù)及設(shè)計(jì)注意點(diǎn)

　　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(dòng)器，須經(jīng)過特別的設(shè)計(jì)考慮。針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電源供應(yīng)而設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓器一般都會(huì)設(shè)計(jì)一根“啟動(dòng)”或關(guān)閉接腳，以便供邏輯PWM信號(hào)使用，但連帶的延遲tD則頗長(zhǎng)，這是由于硅芯片的設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)維持低停機(jī)電流。然而，專用來驅(qū)動(dòng)LED的開關(guān)穩(wěn)壓器則恰好相反，它可在「啟動(dòng)」接腳邏輯低時(shí)，保持內(nèi)部控制電路的活動(dòng)，以將tD減至最低，而當(dāng)LED被關(guān)關(guān)時(shí)，則會(huì)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(shí)，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(duì)比度，而且還可減少 LED花在由0到目標(biāo)所需的時(shí)間。（在此條件下，并不保證主波長(zhǎng)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(gè)軟啟動(dòng)，通常也搭配一個(gè)軟關(guān)閉，而專用的LED驅(qū)動(dòng)器會(huì)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(shí)從硅芯片的設(shè)計(jì)和開關(guān)穩(wěn)壓器所采用的拓?fù)渲帧?/p>

　　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(gè)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(dòng)時(shí)，將功率輸送到輸出端的開關(guān)轉(zhuǎn)換器，此特點(diǎn)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４送?，在控制開關(guān)啟動(dòng)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(gè)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(dòng)”接腳更快

　　即使是一個(gè)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(duì)比度度，也就是要求更快速的回轉(zhuǎn)率和更短暫的延遲時(shí)間。與機(jī)械視覺辨識(shí)和工業(yè)檢驗(yàn)系統(tǒng)搭配應(yīng)用時(shí)，舉例某些要求高性能的系統(tǒng)，包括液晶（LCD）面板和投影機(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(shí)間總和必須縮短至奈秒內(nèi)。

　　從一個(gè)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(gè)延遲都須被略過（By Pass）。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，最佳方法就是采用一個(gè)與LED并聯(lián)的電源開關(guān)（圖3）。當(dāng)LED關(guān)閉時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流便會(huì)分流通過開關(guān)，作用就如同一個(gè)典型的N 型金屬氧化半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管（N-MOSFET），這時(shí)集成電路會(huì)繼續(xù)運(yùn)行，而電感器電流也會(huì)持續(xù)流動(dòng)。該方法的最大缺點(diǎn)在于LED關(guān)閉時(shí)，即使期間的輸出電壓下降到與電流感測(cè)電壓相同，仍會(huì)浪費(fèi)功率。

　　圖3　分路FET電路和其波形

　　利用分路場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）來進(jìn)行調(diào)光會(huì)導(dǎo)致輸出電壓出現(xiàn)較為急劇的移位，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(shí)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(jì)的時(shí)候，會(huì)發(fā)覺兩者在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下都會(huì)展現(xiàn)一個(gè)右半平面零點(diǎn)（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(diǎn)的時(shí)域效應(yīng)還會(huì)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(gè)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(huì)導(dǎo)致在輸入端產(chǎn)生短路，使得并列FET調(diào)光無法實(shí)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(shí)會(huì)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(gè)快速的PWM調(diào)光，最佳的解決方案是采用兩級(jí)系統(tǒng)，并以降壓穩(wěn)壓器作為第二級(jí)LED驅(qū)動(dòng)級(jí)。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(shí)可看成一個(gè)快速的極端卸除瞬時(shí)，它還會(huì)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(shí)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(dòng)器集成電路才可使用。

　　要有效控制LED光源，必須在開始時(shí)的設(shè)計(jì)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(huì)就愈大，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也必須謹(jǐn)慎考慮有關(guān)LED驅(qū)動(dòng)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問題。降壓穩(wěn)壓器對(duì)PWM調(diào)光有很多優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(jì)過程的初期改用降壓穩(wěn)壓器來實(shí)行。