可調(diào)光LED: 應(yīng)該選擇哪種方案?

LED照明的迅速發(fā)展意味著需要大量IC器件為LED提供電源控制。在現(xiàn)在的節(jié)能時(shí)代，為了控制LED電流，開關(guān)式LED驅(qū)動(dòng)器早已開始取代高能耗的線性器件。從閃光燈到街燈，再到體育場的記分牌，都對這些產(chǎn)品要求精確控制的LED光輸出（即光通量）。

　　光通量（單位流明）是光源發(fā)出有用功的度量，該性能指標(biāo)是一個(gè)所有波長的能量和專門對應(yīng)人眼反應(yīng)的可見光區(qū)域的加權(quán)函數(shù)。LED的光通量與驅(qū)動(dòng)電流的大小成正比。很多情況下，光輸出的實(shí)時(shí)變化都須通過改變LED驅(qū)動(dòng)電流來實(shí)現(xiàn)，這就是通常所謂的調(diào)光控制。

　　在很多調(diào)光應(yīng)用中顏色的控制同樣重要，制造高亮度白光LED通常的方法是在發(fā)射藍(lán)光的LED芯片上覆蓋一層熒光粉半球涂層。最終的發(fā)射光在一定色溫下將呈現(xiàn)白光，色溫是用來描述光的顏色與黑體曲線上的參考顏色比較后的一個(gè)性能指標(biāo)。LED生產(chǎn)商制定了一個(gè)標(biāo)稱的色溫來表示白光LED，但實(shí)際上它很容易因正向電流、結(jié)點(diǎn)溫度和產(chǎn)品壽命的影響而改變。大部分彩色LED不含熒光粉，它們不考慮色溫僅發(fā)出特定波長的光，但是會(huì)受波長偏移的影響。

　　技術(shù)背景

　　圖1給出的是在補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的直流/直流開關(guān)式LED驅(qū)動(dòng)器，在這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里，輸入電壓Vin比輸出電壓VOUT（LED和RSNS上的電壓）更高。能量是通過受控開關(guān)（連至圖1 LM3406內(nèi)部），二極管D1和電感L1。在輸入至輸出間處理及傳遞。通常，能量傳遞發(fā)生在50KHZ～1MHZ的轉(zhuǎn)換頻率間，具體取決于實(shí)際應(yīng)用。通過監(jiān)控流經(jīng)CS引腳的檢測電阻RSNS上的平均電壓值，可以控制LED電流。通過增加或者減少LED電流調(diào)節(jié)CS引腳，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換的占空比會(huì)動(dòng)態(tài)變化。

圖1 開關(guān)式LED驅(qū)動(dòng)器

　　開關(guān)式LED驅(qū)動(dòng)器調(diào)光控制常用的方法有兩種：脈寬調(diào)制調(diào)光（脈寬調(diào)制）和模擬調(diào)光。兩種方法均通過控制流過LED的時(shí)間平均電流實(shí)現(xiàn)，但是這兩種方法的差異眾多，除了下文要談到的功能差異，兩種方法各自的優(yōu)勢與問題也已在表1中標(biāo)出。

　　模擬調(diào)光

　　使用開關(guān)式驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行模擬調(diào)光，是通過調(diào)節(jié)標(biāo)稱LED電流來實(shí)現(xiàn)的。理論上，圖1中用LM3406來模擬調(diào)光，只需調(diào)整RSNS即可實(shí)現(xiàn)。但在實(shí)際操作中，RSNS的值非常?。ㄐ∮??），這不利于電阻的功率耗散，實(shí)際中還沒有哪種標(biāo)準(zhǔn)電位計(jì)可以提供這么小的可變電阻。相反的，有種更復(fù)雜的技術(shù)通過使用一個(gè)固定檢測電阻就可以直接控制標(biāo)稱LED電流。如圖1所示，可以把運(yùn)算放大器放在CS引腳和RSNS之間，用來緩沖和放大檢測電壓。一個(gè)更高的電阻電位計(jì)可以放在從輸入到輸出的反饋回路上，以調(diào)節(jié)有效傳感電壓值，從而達(dá)到對LED模擬調(diào)光的目的。

　　模擬調(diào)光的主要缺點(diǎn)是色溫較大，與平均LED電流對應(yīng)的波長發(fā)生偏移。具體取決于實(shí)際應(yīng)用，該問題對有的應(yīng)用而言很關(guān)鍵，另一些則不然。例如，對一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、低成本的用熒光粉涂層覆蓋的白光LED閃光燈，色溫的偏移問題幾乎可以忽略。相反，使用RGB（紅，綠，藍(lán)）LED的背光顯示器，在模擬調(diào)光時(shí)不允許任何的波長偏移。模擬調(diào)光相對簡單，成本低廉，這使得它極受某些具體應(yīng)用領(lǐng)域的喜歡，當(dāng)然不是所有的應(yīng)用。

　　PMW調(diào)光

　　與模擬調(diào)光相反，脈寬調(diào)制調(diào)光不是通過對標(biāo)稱電流的調(diào)節(jié)，而是用低于比開關(guān)頻率的轉(zhuǎn)換控制器的開和關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)。它產(chǎn)生了一個(gè)調(diào)制輸出電流，其平均值等于固定的LED標(biāo)稱電流值乘以脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號的占空比。脈寬調(diào)制調(diào)光頻率范圍從100次/Hz～10次/kHz，該頻率必須比人眼感知的速度快，這樣就可以避免頻閃現(xiàn)象，一般來說，其頻率限制在大于或等于200HZ。

　　通過脈寬調(diào)制調(diào)光，LED電流為零或在標(biāo)稱電流級，這極大地改善了模擬調(diào)光時(shí)的色移現(xiàn)象，在需要對顏色進(jìn)行精確控制的應(yīng)用中，該技術(shù)是人們的首選。其缺點(diǎn)是在LED電流的脈寬調(diào)制過程中會(huì)增加開關(guān)的噪音。當(dāng)然，產(chǎn)生脈寬調(diào)制輸入信號還會(huì)增加成本，產(chǎn)品設(shè)計(jì)也更為復(fù)雜。

圖2（a）平行并聯(lián)FET脈寬調(diào)制

圖2（b）脈寬調(diào)制調(diào)光應(yīng)用和產(chǎn)生的波形

　　如圖2（a）中所示，許多LED驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)是有一個(gè)專門的脈寬調(diào)制調(diào)光引腳。這個(gè)DIM引腳可以適應(yīng)很寬的脈寬調(diào)制頻率和振幅，允許有一個(gè)連接外部邏輯電路的簡單接口。DIM功能關(guān)閉內(nèi)部開關(guān)，這在保持內(nèi)部偏置電路運(yùn)行下，確保不向LED驅(qū)動(dòng)器提供輸出，避免了IC重新啟動(dòng)的延遲。延遲時(shí)間的最小化令驅(qū)動(dòng)器獲得更寬的調(diào)光范圍。在這種脈寬調(diào)制調(diào)光執(zhí)行過程中的最小可獲得的占空比受到圖2（b）中所示的電感的上升時(shí)間和衰減時(shí)間（轉(zhuǎn)換率）的限制。通過DIM引腳進(jìn)行脈寬調(diào)制調(diào)光可以應(yīng)用在從汽車前燈到一般通用射燈等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。

　　對于如電視背光燈之類更復(fù)雜的應(yīng)用，需要更大的調(diào)光范圍。只有使用如圖2（a）所示的并行FET調(diào)光才有可能實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)配置中，切換式LED驅(qū)動(dòng)器可持續(xù)性地調(diào)節(jié)輸出電流，脈寬調(diào)制調(diào)光信號控制LED負(fù)載的開關(guān)閘。通過開關(guān)的開和關(guān)重新引導(dǎo)流經(jīng)開關(guān)的LED電流，并在要求的占空比內(nèi)，反向流過LED。效果基本與脈寬調(diào)制調(diào)光所采用的DIM 引腳一致，在這個(gè)PMW調(diào)光里占空比控制LED平均電流。LED電流的上升和下降時(shí)間是一個(gè)令幅度變快的指令，它們并不取決于電感的轉(zhuǎn)換率。圖2（b）所示的是如何達(dá)到一個(gè)更小的最小占空比，從而極大改善調(diào)光范圍。

　　雙線調(diào)光

　　雙線脈寬調(diào)制調(diào)光是一項(xiàng)很流行的車內(nèi)照明技術(shù)。該技術(shù)一開始主要用于白熾燈負(fù)載上，通過電阻性負(fù)載降低平均電壓，可以直接調(diào)節(jié)其室內(nèi)光源，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光。因?yàn)槠囆袠I(yè)還在應(yīng)用LED的過渡中，對某些生產(chǎn)廠商而言，現(xiàn)有架構(gòu)仍富有吸引力。開關(guān)式電源設(shè)計(jì)中存在一個(gè)問題，即可以不考慮輸入狀態(tài)調(diào)節(jié)輸出。為了使用這些嵌在電源上的調(diào)光信息，解碼調(diào)光角度很有必要。

圖3 雙線脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制調(diào)光應(yīng)用

　　圖3給出的是使用開關(guān)式LED驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行雙線調(diào)光的一種方法。隨著VIN上升和下降，VINS引腳監(jiān)測到占空比，并把脈寬調(diào)制波形轉(zhuǎn)為內(nèi)部開關(guān)調(diào)制。調(diào)光效果與通過DIM引腳的脈寬調(diào)制調(diào)光一樣，該方法的缺點(diǎn)是，當(dāng)輸入電源在每個(gè)調(diào)光周期關(guān)斷時(shí)，輸入電容CIN必須提供輸入功率。此外，高壓二極管D1必須確保VINS 引腳可以檢測到調(diào)制信號。

　　調(diào)光和效率

　　LED光效可以簡單的定義為用流明表示的可視輸出功率與用瓦表示的輸入電功率（單位是流明/W）之比。所有輸入LED但未能生成可見光的電功率都轉(zhuǎn)化成了熱或者不可見電磁輻射。眾所周知，當(dāng)用正向電流驅(qū)動(dòng)時(shí)所有的LED光效更高（在更低的輸出功率下）。圖4示意了LED正向電流和光通量間的常見關(guān)系。當(dāng)指數(shù)從理想線上偏斜下來，光效將隨之降低。

圖4 電流和光通量

　　從圖4中我們可以看到，在較低的調(diào)光級別，比起脈寬調(diào)制調(diào)光模擬調(diào)光的LED光效更高。在更低的占空比下，我們會(huì)考慮使用脈寬調(diào)制調(diào)光，LED峰值電流比時(shí)間平均LED電流要大得多。另外一方面，模擬調(diào)光LED只適用于平均電流水平。

　　復(fù)合調(diào)光功能

　　美國國家半導(dǎo)體的LM3409是一個(gè)設(shè)計(jì)獨(dú)特的降壓LED控制器，可以很容易的為模擬調(diào)光和脈寬調(diào)制調(diào)光提供支持功能。模擬調(diào)光和脈寬調(diào)制調(diào)光可以分別進(jìn)行，或者在復(fù)雜的調(diào)光模式下可以進(jìn)行一些同步的簡單操作。圖5示意的是使用LM3409的一種典型的模擬調(diào)光應(yīng)用。使用該器件可以有四種方法實(shí)現(xiàn)LED調(diào)光。

　　1. 在電源電壓 從0V～1.24V變化時(shí)，直接驅(qū)動(dòng)IADJ 引腳來模擬調(diào)光

　　2. 在IADJ 引腳 和Gnd間安裝一個(gè)電位計(jì)來模擬調(diào)光

　　3. 用EN 引腳完成脈寬調(diào)制調(diào)光

　　4. 通過外分流FET完成脈寬調(diào)制調(diào)光

圖5 使用電位計(jì)的模擬調(diào)光

　　LM3409是一個(gè)阻尼配件，總開關(guān)Q1打開，能量從輸入傳遞到輸出。當(dāng)開關(guān)電流達(dá)到門限峰值時(shí)，Q1關(guān)閉，然后，一個(gè)與輸出電壓成正比的穩(wěn)定的關(guān)閉定時(shí)開關(guān)將決定關(guān)斷時(shí)間，通過在0～248mV范圍內(nèi)改變內(nèi)部峰值感應(yīng)閾值電流可以進(jìn)行模擬調(diào)光。如果IADJ引腳懸空，將內(nèi)部5uA電流源引腳電壓偏置至1.24V，這樣在248mV下通過檢測電阻RSNS的LED電流就會(huì)達(dá)到峰值。如果把一個(gè)電位計(jì)從IADJ 接地（GND），5uA電源偏置到RADJ，則產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓將改變內(nèi)部電流感應(yīng)閾值。用同樣的方法，IADJ 引腳可以只用一個(gè)從0～1.24V的直流電壓來驅(qū)動(dòng)，標(biāo)定從0～248mV的電流感應(yīng)閾值。

圖6 電流和電位器電阻

　　圖6是一個(gè)測量LED電流及在IADJ 引腳到GND間電位計(jì)電阻值的平面圖。在非常低的調(diào)光幅度下，LED電流到電位計(jì)電阻的傳遞函數(shù)幾乎是線性的。圖5所示的內(nèi)部2.5V鉗位電壓值能使最大電流限定在1A以內(nèi)。

　　LM3409的脈寬調(diào)制調(diào)光跟LM3406一樣，除了LM3406使用專用的DIM 引腳，而LM3409用的是EN引腳。EN引腳是邏輯輸入，這個(gè)邏輯輸入用脈寬調(diào)制輸入信號來打開和關(guān)閉主要的FET Q1。LM3409和LM3406唯一的區(qū)別是如果EN引腳的引線足夠長，位置較低，則LM3409將完全關(guān)閉。用LM3409也可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)分流FET調(diào)光。

　　表1列出的優(yōu)缺點(diǎn)，標(biāo)明使用LM3409器件進(jìn)行混合調(diào)光所帶來的好處。隨著LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，混合調(diào)光法將變得越來越受歡迎。

表 1 模擬調(diào)光和脈寬調(diào)制調(diào)光的優(yōu)缺點(diǎn)

參數(shù)

模擬調(diào)光

脈寬調(diào)制 調(diào)光

設(shè)計(jì)難易度

控制器如果配備了模擬調(diào)光引腳，將更為容易。

需要一個(gè)處理器或定時(shí)開關(guān)來產(chǎn)生脈寬調(diào)制輸入信號

相對成本

產(chǎn)生模擬輸入信號相對更便宜

生成脈寬調(diào)制輸入信號成本較高

色溫偏移

調(diào)光時(shí)會(huì)產(chǎn)生色移現(xiàn)象

在整個(gè)調(diào)光過程中，色彩相對穩(wěn)定。

調(diào)光范圍

大部分的設(shè)計(jì)中調(diào)光范圍都非常有限

可以獲得非常高的相對比值

功效

在較低調(diào)光階段比脈寬調(diào)制更好

在高峰值電流下功效更低

電磁兼容性

使用開關(guān)電源時(shí)，電磁兼容性一般

LED并聯(lián)FET的硬邊緣可以產(chǎn)生輻射或者熱傳導(dǎo)