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【集耀技术贴】 怎样在不影响光线质量的情况下给 LED 调光

随着传统照明到发光二极管 (LED) 的快速发展,以及越来越多的解决方案推向市场,消费者对于其选择的产品越来越讲究。 特别具有对比度和无色度变化范围大或可察觉闪烁的线性调光,被认为是优质产品的标志。
设计人员的难点在于,与传统白炽灯或日光灯照明不同,要在保持光线质量的同时对 LED 调光并非易事。 虽可进行模拟调光,但这会造成明显的色度和发射光“温度”偏移。
上海集耀电子有限公司技术人员发现:一种现有技术是通过对驱动 LED 的正向电流进行脉冲宽度调制 (PWM),来进行 LED 调光。 其基本前提是,在 PWM 串的“导通”周期中,LED 在最佳正向电流/正向电压条件下工作。 因此,光线质量好,并且感受到的亮度与 PWM 串的占空比成线性比例。
设计人员面临的挑战在于设计能与模块化开关电压转换器协调工作的 PWM 电路,这种转换器通常用作 LED 电源,即“驱动器”。 若不采用这种补充方法,则很容易造成诸如电磁干扰 (EMI)、有限对比度(最大亮度/最小亮度)和可察觉的闪烁(这会影响到健康)等问题。
本文基于目前各种 LED 驱动器考虑 PWM LED 调光电路的设计,并重点介绍实现不影响光线质量的解决方案所需的设计步骤。
模拟调光的缺点
LED 需要恒流/恒压电源,才能以良好的光线质量保持高效工作。 (光线质量已成为关键产品区分因素、以及主要供应商完善其终端产品的努力方向。 请参阅资料库文章《厂商开始关注光线质量以增加 LED 市场份额收益》。)
可以在一定程度上根据最终产品规格灵活选择工作点。 例如,LED 的光通量与正向电流成比例,因此设计人员可以选择以较高正向电流驱动 LED,以提升亮度,从而减少给定设计规格所需的 LED 数量。 (请参阅资料库文章《最佳亮度的照明设计》。)
图 1 显示 OSRAM Opto Semiconductors 的 Duris S5E 白光 LED 的正向电流与亮度特点。 OSRAM 器件基于成熟的技术,是主流照明应用的普遍选择。 这种 LED 在 6.35 V/150 mA 条件下可产生 118 lm,在该工作点下的效率据称可达到 123 lm/W。 例如,相比 150 mA 时产生的亮度,将正向电流降低到 100 mA 可将亮度调低 30%。


图 1: OSRAM Duris S5E 白光 LED 在正向电流和亮度之间近乎呈线性关系。 (来源: OSRAM Opto Semiconductors)
熟悉白炽灯照明调光的消费者自然需要 LED 替代品的类似功能。 这些功能的亮点在于可在较广的亮度范围内进行精细分辨率调光。 显然,满足该需求的简单方法是设计一种模拟调光电路,该电路可通过 LED 电源或“驱动器”来降低驱动 LED 工作的正向电压/正向电流。
上海集耀电子的工程技术人员发现,遗憾的是,模拟调光法存在一些明显的缺点。 其中主要有能效影响(输出 (lm)/输入功率 (W))、由于最小正向电流阈值造成的受限对比度、精确控制典型 LED 驱动器较大范围输出电流的设计复杂度增加,以及影响最大的是,LED 的相关色温 (CCT) 随正向电压/正向电流变化而变化。CCT 决定了 LED 的表面热度,是光线质量的关键衡量指标。 减小正向电压/正向电流,将对当今大多数“白光”LED 产品核心中的蓝色 LED 发出的光线波长产生微妙的影响。 现代照明应用的高亮度 LED 结合了含钇铝石榴石 (YAG) 磷光体的宝蓝色 LED。 部分 LED 的蓝光子直接从器件中逸出,而大多数与形成(主要是)黄光的磷光体相结合。 蓝光与黄光的组合与白光近似。LED 厂商随后会对磷光体稍作改动,将白光的“温度”从冷(偏蓝)色调修改为暖(黄)阴影,从而让制造商可提供各种颜色选择,以适应个人喜好。 CCT 从数量上定义了 LED 光的温度。 (请参阅资料库文章《定义白光 LED 的色彩特征》。)
厂商规定了 LED 在特定正向电压/正向电流工作点下的 CCT。 设计人员从特定 CCT“分档”中选择 LED,他们知道从该分档中选择的所有产品都将发出几乎相同的 CCT。 虽然领先制造商通常还提供 CCT 如何随正向电压/正向电流变化的信息,但他们并不保证特定产品在超出推荐参数以外的工作点的性能。 尤其是,LED 制造商不保证来自相同分档的器件在建议工作点以外的任何点产生相同的 CCT。 图 2 说明了 OSRAM LED 的色度坐标(决定其 CCT)如何随正向电流变化。


图 2: LED 的色度和 CCT 随正向电压变化。 在较大范围的正向电流中,可以通过肉眼观察这些变化。 (来源: OSRAM)
然而糟糕的是,肉眼并不擅长观察细微颜色变化(例如,纯红色、绿色或蓝色 LED 发出的光子波长差异在被发现之前会显著变化),但对 CCT 变化非常敏感。 因此,消费者完全有可能会注意到由来自相同分档的 LED 驱动的两个装置在相同程度的模拟调光下颜色变化比较大。 (请参阅资料库文章《数字调光解决 LED 颜色难题》,以获取本主题的详细技术说明。)
用 PWM 调光解决 CCT 挑战
近年来,PWM 被用作优质 LED 照明的首选调光技术。 在 PWM 串的“导通”周期中,LED 在推荐的正向电压/正向电流工作点下被驱动 — 确保 CCT 在规格书的参数范围内。 PWM 串占空比(脉冲时长 (tP) 与信号周期 (T) 之比)决定平均电流,从而决定感受到的亮度。
图 3 显示了三种不同的脉冲串,它们都在恒定正向电流下工作。 顶部示例显示的是中等照明,中间示例较暗,底部示例则较亮。 图 4 显示了占空比与正向电压之间的线性特征。


图 3: 改变 PWM 脉冲串占空比可改变 LED 平均正向电流以及亮度(自上:中、低、高亮度),同时在导通期间保持特定工作电流。 (来源: OSRAM)


图 4: 占空比与 LED 亮度线性相关。 (来源: OSRAM)
来自主要供应商的现代 LED 驱动器已经设计有 PWM 调光功能。 许多芯片采用 PWM 或 DIM 引脚实现从 PWM 发生器的直接输入,以确定驱动器的导通、关断周期。 但是,仔细权衡 LED 驱动器的选择将获益匪浅,因为其中有一些关键因素可区分优秀和不良 LED 数字调光设计。
一个关键考虑因素是 PWM 串的频率(即 fDIM)。 fDIM 的最小值由肉眼对闪烁的灵敏度决定。 近期的照明设计指南指出,如果不产生长期健康影响,则 fDIM 应当大于 80 - 100 Hz。 (请参阅资料库文章《新的闪烁建议将如何影响 LED 照明设计》。)
然而设计人员需要进行权衡,因为频率越高,对比度影响就越大。 这是因为即使最好的 LED 驱动器也需要特定时间来响应 PWM 输入。 图 5 说明了什么情况下出现这些时间延迟。

图 5: LED 驱动器在响应调光 PWM 信号时产生的延迟。 这些延迟决定了调光系统的最大对比度。 (来源:Texas Instruments)
在图 5 中,tD 表示从 PWM 信号 (VDIM) 变高的时间到驱动 LED 的正向电流响应时间的传播延迟。 (tSU 和 tSD 分别是 LED 正向电流转上和转下时间。) 压摆率限制最小和最大占空比(DMIN 和 DMAX),以及对比度。
降低 fDIM 一般会提高对比度,这是因为 T 相对较长,即使对于低占空比,固定压摆率的 LED 驱动器有充足的时间达到所需的正向电流/正向电压,然后回落到零。
(注意,对于任何 PWM 调光频率选择,最好选择具有有限压摆的 LED 驱动器,因为 LED 的开启时间可使它在 PWM 信号的前沿过早点亮(因此正向电压/正向电流超出规格),使得消费者面临困扰模拟调光的相同 CCT 变化。)
对比率 (CR) 通常以最小导通时间的倒数表示:

常规用途的标准开关稳压器并非设计用于反复开关,因此厂商很少关注压摆。 许多情况下,这些稳压器还具备软启动和软关断模式(以防电压尖峰),它可延长压摆。 相比而言,调光应用的 LED 驱动器则设计为较短的压摆时间。
由于两个不同原因,基于开关式降压调压器的 LED 驱动器具有最短的压摆时间。 首先,降压稳压器在开关导通时向输出提供电源,使控制回路比“升压”或“降压-升压”拓扑更快。 其次,降压稳压器的电感器在整个开关周期中连接到输出,确保连续输出电流,且无需输出电容器。 不使用电容器使得驱动器的输出电压/电流非常快速地转换。[1] 仔细挑选降压稳压器能实现 kHz 范围的 PWM 调光频率,虽然可能对于主流照明并没有必要,但对于工业图像识别任务的高速选通等应用却大有益处。
设计 PWM 调光 LED 电源
有三种方法可以设计带 PWM 调光的 LED 电源: 用单独的元器件重新开发电路;匹配带 PWM 输入的降压 LED 驱动器和 PWM 电路;或者用专用 PWM 发生器更换 PWM 电路。
第一种方法不适用于资金紧张的情况,但如果预算和空间情况良好,也可以采用。 我们现在看看其他两种方法,它们基于一些来自各大主要供应商的成熟集成模块化电源管理设备。
Texas Instruments 提供一种简单但相对昂贵的 PWM 可调光解决方案,它集成了 LED 驱动器控制功能,设计人员可灵活选择用于驱动 LED 的外部 MOSFET。 LM3421 是一款适用于 LED 电源的高压 N 沟道 MOSFET 控制器。 该芯片可在降压、升压、降压-升压和单端初级电感转换器 (SEPIC) 拓扑中配置。
在本文特定背景下,LM3421 集成了可用于调光的 nDIM 引脚。 TI 推荐了两种调光方法,第一种使用通过肖特基二极管实现的反相 PWM 脉冲串 (DDIM),第二种使用通过调光 MOSFET 应用的标准 PWM 信号 (QDIM)。 如果应用需要高 PWM 频率和良好对比度,第二种方法很有用,因为它可加速 LED 驱动器控制器的压摆率。 图 6 显示了 LM3421 的 PWM 调光选项。


图 6: TI 推荐了两种可用于其 LM3421 LED 驱动器控制器的 PWM 调光技术,使用肖特基二极管,或为需要更高 PWM 频率的应用使用 MOSFET。
就其本身而言,Maxim Integrated 最近引入了带内置调光功能的 LED 驱动器,无需外部元器件,并且禁用 PWM 信号发生器。 MAX16819 是一款在 4.5 V 至 28 V 输入范围内工作的降压 LED 驱动器,并带有 5 V/10 mA 板载稳压器。 采用上述 TI 器件后,该芯片的 DRV 输出设计为可为外部 MOSFET 供电,它连接到 LED 并有助于减少压摆。
该芯片的主要特性在于其滞后控制算法,Maxim Integrated 宣称可确保 PWM 调光工作期间的快速响应,并能实现高达 20 kHz 的 PWM 频率,以满足要求该频率的应用。 该器件具有高达 2 MHz 的开关频率,因此能让设计人员选择紧凑的外部元器件。 图 7 显示了驱动 LED 的正向电流如何快速响应调光电压变化。

图 7: Maxim Integrated 的 MAX16819 采用滞后控制算法,该算法可加速对 PWM 调光输入的响应。 该图阐明了 LED 电流 400 mA、50% 占空比时的系统响应。
对于高端(但显然更昂贵)解决方案,Linear Technology 提供 LT8500 48 通道 LED PWM 发生器。 该芯片可与该公司产品中的三款 LT3595 16 通道降压模式 LED 驱动器组合,用于 PWM 可调光照明解决方案,该方案在电流达到 50 mA 时能为 480 个 LED 供电。
LT3595A 是降压 LED 驱动器,设计用于驱动 16 个独立通道,每个通道最多十个 LED。 该芯片集成了开关、肖特基二极管和补偿元器件,以减少电路基底面并降低元器件成本。 该芯片在 4.5 V 至 45 V 输入范围内运行,在 2 MHz 开关频率下工作(允许使用小电感器和电容器)。
通过将 PWM 输入应用到 16 个单独的 PWM 引脚,为每个通道控制调光。 该器件具有快速转上和转下压摆率,最大对比度为 5000:1。
LT8500 LED PWM 发生器在 3 V 至 5.5 V 输入下工作,具有 48 个独立通道,可用于直接控制三个 LED 驱动器。 每个通道有单独的可调节 PWM 寄存器。
LT8500 可以独立调节每个通道的亮度。 12 位 PWM 寄存器 – 可通过简单串行数据接口编程 – 可实现 4095 种最大 LED 输出 0 - 99.98% 的不同亮度等级。 图 8 显示了如何配置 LT8500 以驱动三个 LT3595A 降压 LED 驱动器。 注意,RSET 电阻器设置各 LED 驱动器上所有 16 个通道的 LED 电流。

图 8: Linear Technology 的 LT8500 可为三个 LT3595 降压 LED 驱动器提供 PWM 调光输入。 反过来,每个驱动器可为最多 160 个 LED 供电。 (根据 Linear Technology 提供的原图)

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