PWM調(diào)光在LED驅(qū)動(dòng)中的設(shè)計(jì)詳解
文章來源:恒光電器
發(fā)布時(shí)間:2014-01-22
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不管你用Buck,， Boost， Buck-Boost還是線性調(diào)節(jié)器來驅(qū)動(dòng)LED,，它們的共同思路都是用驅(qū)動(dòng)電路來控制光的輸出,。設(shè)計(jì)者主要有兩個(gè)選擇：線性調(diào)節(jié)LED電流（模擬調(diào)光），或者使用開關(guān)電路以相對(duì)于人眼識(shí)別力來說足夠高的頻率工作來改變光輸出的平均值（數(shù)字調(diào)光）,。使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）來設(shè)置周期和占空度可能是最簡單的實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)光的方法,，并且Buck調(diào)節(jié)器拓?fù)渫軌蛱峁┮粋�(gè)最好的性能。
一些應(yīng)用只是簡單地來實(shí)現(xiàn)“開”和“關(guān)”地功能,，但是更多地應(yīng)用需求是要從0到100%調(diào)節(jié)光的亮度,，而且經(jīng)常要有很高的精度。
設(shè)計(jì)者主要有兩個(gè)選擇：線性調(diào)節(jié)LED電流（模擬調(diào)光）,，或者使用開關(guān)電路以相對(duì)于人眼識(shí)別力來說足夠高的頻率工作來改變光輸出的平均值（數(shù)字調(diào)光）,。使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）來設(shè)置周期和占空度（圖1）可能是最簡單的實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)光的方法，并且Buck調(diào)節(jié)器拓?fù)渫軌蛱峁┮粋�(gè)最好的性能,。
推薦的PWM調(diào)光
模擬調(diào)光通�,？梢院芎唵蔚膩韺�(shí)現(xiàn)。我們可以通過一個(gè)控制電壓來成比例地改變led驅(qū)動(dòng)的輸出,。模擬調(diào)光不會(huì)引入潛在的電磁兼容/電磁干擾（EMC/EMI）頻率,。然而，在大多數(shù)設(shè)計(jì)中要使用PWM調(diào)光,，這是由于LED的一個(gè)基本性質(zhì)：發(fā)射光的特性要隨著平均驅(qū)動(dòng)電流而偏移,。
對(duì)于單色LED來說，其主波長會(huì)改變,。對(duì)白光LED來說,，其相關(guān)顏色溫度（CCT）會(huì)改變。對(duì)于人眼來說,，很難察覺到紅,、綠或藍(lán)LED中幾納米波長的變化，特別是在光強(qiáng)也在變化的時(shí)候,。但是白光的顏色溫度變化是很容易檢測(cè)的,。
大多數(shù)LED包含一個(gè)發(fā)射藍(lán)光譜光子的區(qū)域，它透過一個(gè)磷面提供一個(gè)寬幅可見光。低電流的時(shí)候,，磷光占主導(dǎo),，光趨近于黃色。高電流的時(shí)候,，LED藍(lán)光占主導(dǎo),，光呈現(xiàn)藍(lán)色，從而達(dá)到了一個(gè)高CCT,。當(dāng)使用一個(gè)以上的白光LED的時(shí)候,，相鄰LED的CCT的不同會(huì)很明顯也是不希望發(fā)生的。同樣延伸到光源應(yīng)用里,，混合多個(gè)單色LED也會(huì)存在同樣的問題,。當(dāng)我們使用一個(gè)以上的光源的時(shí)候，LED中任何的差異都會(huì)被察覺到,。
LED生產(chǎn)商在他們的產(chǎn)品電氣特性表中特別制定了一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流,，這樣就能保證只以這些特定驅(qū)動(dòng)電流來產(chǎn)生的光波長或CCT,。用PWM調(diào)光保證了LED發(fā)出設(shè)計(jì)者需要的顏色,，而光的強(qiáng)度另當(dāng)別論。這種精細(xì)控制在RGB應(yīng)用中特別重要,，以混合不同顏色的光來產(chǎn)生白光,。
從驅(qū)動(dòng)IC的前景來看，模擬調(diào)光面臨著一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),，這就是輸出電流精度,。幾乎每個(gè)LED驅(qū)動(dòng)都要用到某種串聯(lián)電阻來辨別電流。電流辨別電壓（VSNS）通過折衷低能耗損失和高信噪比來選定,。驅(qū)動(dòng)中的容差,、偏移和延遲導(dǎo)致了一個(gè)相對(duì)固定的誤差。要在一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)中降低輸出電流就必須降低VSNS,。這樣就會(huì)反過來降低輸出電流的精度,，最終，輸出電流無法指定,、控制或保證,。通常來說，相對(duì)于模擬調(diào)光,，PWM調(diào)光可以提高精度,，線性控制光輸出到更低級(jí)。
調(diào)光頻率VS對(duì)比度
LED驅(qū)動(dòng)對(duì)PWM調(diào)光信號(hào)的不可忽視的回應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生了一個(gè)設(shè)計(jì)問題,。這里主要有三種主要延遲（圖2）,。這些延遲越長，可以達(dá)到的對(duì)比度就越低（光強(qiáng)的控制尺度）。
如圖所示,，tn表示從時(shí)間邏輯信號(hào)VDIM提升到足以使LED驅(qū)動(dòng)開始提高輸出電流的時(shí)候的過渡延遲,。另外，tsu輸出電流從零提升到目標(biāo)級(jí)所需要的時(shí)間,，相反,，tsn是輸出電流從目標(biāo)級(jí)下降到零所需要的時(shí)間。一般來說,，調(diào)光頻率（fDIM）越低,，對(duì)比度越高，這是因?yàn)檫@些固定延遲消耗了一小部分的調(diào)光周期（TDIM）,。fDIM的下限大概是120Hz,，低于這個(gè)下限，肉眼就不會(huì)再把脈沖混合成一個(gè)感覺起來持續(xù)的光,。另外,，上限是由達(dá)到最小對(duì)比度來確定的。
對(duì)比度通常由最小脈寬值的倒數(shù)來表示：
CR = 1 / tON-MIN ：1
這里tON-MIN = tD + tSU,。在機(jī)器視覺和工業(yè)檢驗(yàn)應(yīng)用中常常需要更高的PWM調(diào)光頻率,，因?yàn)楦咚傧鄼C(jī)和傳感器需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于人眼的反應(yīng)時(shí)間。在這種應(yīng)用中,，led光源的快速開通和關(guān)閉的目的不是為了降低輸出光的平均強(qiáng)度,，而是為了使輸出光與傳感器和相機(jī)時(shí)間同步。
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