隨著傳統(tǒng)照明到發(fā)光二極管 (LED) 的快速發(fā)展，以及越來越多的解決方案推向市場，消費(fèi)者對于其選擇的產(chǎn)品越來越講究。 特別具有對比度和無色度變化范圍大或可察覺閃爍的線性調(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)量的同時對 LED 調(diào)光并非易事。 雖可進(jìn)行模擬調(diào)光，但這會造成明顯的色度和發(fā)射光“溫度”偏移。

一種現(xiàn)有技術(shù)是通過對驅(qū)動 LED 的正向電流進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制 (PWM)，來進(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)計人員面臨的挑戰(zhàn)在于設(shè)計能與模塊化開關(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)、有限對比度（最大亮度/最小亮度）和可察覺的閃爍（這會影響到健康）等問題。

本文基于目前各種 LED 驅(qū)動器考慮 PWM LED 調(diào)光電路的設(shè)計，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。 

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)計人員可以選擇以較高正向電流驅(qū)動 LED，以提升亮度，從而減少給定設(shè)計規(guī)格所需的 LED 數(shù)量。

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)稱可達(dá)到 123 lm/W。 例如，相比 150 mA 時產(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。

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，滿足該需求的簡單方法是設(shè)計一種模擬調(diào)光電路，該電路可通過 LED 電源或“驅(qū)動器”來降低驅(qū)動 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比度、精確控制典型 LED 驅(qū)動器較大范圍輸出電流的設(shè)計復(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 廠商隨后會對磷光體稍作改動，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)個人喜好。 CCT 從數(shù)量上定義了 LED 光的溫度。 

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，可以通過肉眼觀察這些變化。

然而糟糕的是，肉眼并不擅長觀察細(xì)微顏色變化（例如，純紅色、綠色或藍(lán)色 LED 發(fā)出的光子波長差異在被發(fā)現(xiàn)之前會顯著變化），但對 CCT 變化非常敏感。 因此，消費(fèi)者完全有可能會注意到由來自相同分檔的 LED 驅(qū)動的兩個裝置在相同程度的模擬調(diào)光下顏色變化比較大。 （請參閱資料庫文章《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)說明。）

用 PWM 調(diào)光解決 CCT 挑戰(zhàn)

近年來，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 — 確保 CCT 在規(guī)格書的參數(shù)范圍內(nèi)。 PWM 串占空比（脈沖時長 (tP) 與信號周期 (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），同時在導(dǎo)通期間保持特定工作電流。 

圖 4： 占空比與 LED 亮度線性相關(guān)。

來自主要供應(yīng)商的現(xiàn)代 LED 驅(qū)動器已經(jīng)設(shè)計有 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)動器的導(dǎo)通、關(guān)斷周期。 但是，仔細(xì)權(quán)衡 LED 驅(qū)動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。

一個關(guān)鍵考慮因素是 PWM 串的頻率（即 fDIM）。 fDIM 的最小值由肉眼對閃爍的靈敏度決定。 近期的照明設(shè)計指南指出，如果不產(chǎn)生長期健康影響，則 fDIM 應(yīng)當(dāng)大于 80 - 100 Hz。

然而設(shè)計人員需要進(jìn)行權(quán)衡，因?yàn)轭l率越高，對比度影響就越大。 這是因?yàn)榧词棺詈玫?LED 驅(qū)動器也需要特定時間來響應(yīng) PWM 輸入。 圖 5 說明了什么情況下出現(xiàn)這些時間延遲。

圖 5： LED 驅(qū)動器在響應(yīng)調(diào)光 PWM 信號時產(chǎn)生的延遲。 這些延遲決定了調(diào)光系統(tǒng)的最大對比度。 

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

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

（注意，對于任何 PWM 調(diào)光頻率選擇，最好選擇具有有限壓擺的 LED 驅(qū)動器，因?yàn)?LED 的開啟時間可使它在 PWM 信號的前沿過早點(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。）

對比率 (CR) 通常以最小導(dǎo)通時間的倒數(shù)表示：

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

由于兩個不同原因，基于開關(guān)式降壓調(diào)壓器的 LED 驅(qū)動器具有最短的壓擺時間。 首先，降壓穩(wěn)壓器在開關(guān)導(dǎo)通時向輸出提供電源，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開關(guān)周期中連接到輸出，確保連續(xù)輸出電流，且無需輸出電容器。 不使用電容器使得驅(qū)動器的輸出電壓/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，雖然可能對于主流照明并沒有必要，但對于工業(yè)圖像識別任務(wù)的高速選通等應(yīng)用卻大有益處。

設(shè)計 PWM 調(diào)光 LED 電源

有三種方法可以設(shè)計帶 PWM 調(diào)光的 LED 電源： 用單獨(dú)的元器件重新開發(fā)電路；匹配帶 PWM 輸入的降壓 LED 驅(qū)動器和 PWM 電路；或者用專用 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 提供一種簡單但相對昂貴的 PWM 可調(diào)光解決方案，它集成了 LED 驅(qū)動器控制功能，設(shè)計人員可靈活選擇用于驅(qū)動 LED 的外部 MOSFET。 LM3421 是一款適用[link:max16819]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)，第二種使用通過調(diào)光 MOSFET 應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn) PWM 信號 (QDIM)。 如果應(yīng)用需要高 PWM 頻率和良好對比度，第二種方法很有用，因?yàn)樗杉铀?LED 驅(qū)動器控制器的壓擺率。 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)動器，無需外部元器件，并且禁用 PWM 信號發(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 的開關(guān)頻率，因此能讓設(shè)計人員選擇緊湊的外部元器件。 圖 7 顯示了驅(qū)動 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 PWM 調(diào)光輸入的響應(yīng)。 該圖闡明了 LED 電流 400 mA、50% 占空比時的系統(tǒng)響應(yīng)。

對于高端（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 時能為 480 個 LED 供電。

LT3595A 是降壓 LED 驅(qū)動器，設(shè)計用于驅(qū)動 16 個獨(dú)立通道，每個通道最多十個 LED。 該芯片集成了開關(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 開關(guān)頻率下工作（允許使用小電感器和電容器）。

通過將 PWM 輸入應(yīng)用到 16 個單獨(dú)的 PWM 引腳，為每個通道控制調(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 個獨(dú)立通道，可用于直接控制三個 LED 驅(qū)動器。 每個通道有單獨(dú)的可調(diào)節(jié) PWM 寄存器。

LT8500 可以獨(dú)立調(diào)節(jié)每個通道的亮度。 12 位 PWM 寄存器 – 可通過簡單串行數(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。 圖 8 顯示了如何配置 LT8500 以驅(qū)動三個 LT3595A 降壓 LED 驅(qū)動器。 注意，RSET 電阻器設(shè)置各 LED 驅(qū)動器上所有 16 個通道的 LED 電流。

圖 8： Linear Technology 的 LT8500 可為三個 LT3595 降壓 LED 驅(qū)動器提供 PWM 調(diào)光輸入。 反過來，每個驅(qū)動器可為最多 160 個 LED 供電。