开关模式LED驱动器的调光技术

作者：Rich Rosen 美国国家半导体 现场应用工程师   时间：2009-10-12

　　引言

　　LED发出的可见光的亮度概念相当容易理解。

　　LED调光方法

　　对开关模式驱动电路的LED进行 调光有两种常用方法：脉宽调制调光和模拟调光。两种方法都对经过LED 或LED串的时间平均电流进行控制，但在衡量两种调光电路的优缺点时，两者之间的差异也很明显。



　　图1显示采用降压拓扑的一个 LED驱动器。Vin必须始终高于LED 和RSNS上的电压之和。电感电流为LED电流。该电流通过监控CS引脚的电压进行调节。当CS开始低于设置的电压时，流经 L1、LED和RSNS的电流脉冲的占空比增加，从而增加LED的平均电流。

　　模拟调光

　　LED的模拟调光是对LED电流的每个周期进行调整。更简单地说，它是不断调整 LED的电流水平。

　　模拟调光可以通过调整电流检测电阻 RSNS，或用模拟电压驱动IC的某个调光功能引脚来完成。图1显示了模拟调光的两个示例。

　　a.通过调整RSNS进行模拟调光

　　从图1可以明显看出使用固定CS 参考电压时，RSNS值的变化将对应 LED电流的变化。如果可以找到能够处理高LED电流，同时还可以提供 sub-1欧姆值的电位器，这将是LED调光的一个可行的方法。

　　b.通过用直流电压驱动CS引脚实现模拟调光

　　更复杂的技术是通过用电压驱动CS引脚直接控制LED每个周期的电流。通常将电压源插入采样LED电流的反馈回路，并通过放大器进行缓冲。LED电流可以通过放大器的增益进行控制。使用该反馈电路，可以实现电流和热量返送之类的功能，以便进一步保护LED。



　　模拟调光的缺点在于发出光线的色温会随着LED电流的某个函数发生变化。当LED的颜色至关重要，或特定LED的色温在LED电流变化时发生很大改变的情况下，通过改变LED电流，从而对LED的输出进行调光将被禁止。

　　PWM调光

　　PWM调光方法，实际上是在一小段时间内启动和重新启动LED电流。这个启动和重新启动循环的频率必须快于人眼可以感知的速度，以免出现闪烁效果，通常情况下可以被接受的频率为大约200Hz或更快。

　LED的调光现在与调光波形的占空比成正比，可由下面的公式控制：

　　IDIM-LED=DDIM×ILED

　　其中 IDIM-LED是LED平均电流，DDIM 是调光波形的占空比，ILED是当选择如图 3 所示的 RSNS 时，额定 LED的 电流设置。



　　a.调制 LED 驱动器

　　许多现代LED驱动器具有专门的 PWM DIM引脚，可以接受较宽范围的PWM频率和振幅，从而与外部逻辑的接口变得非常简单。DIM功能在关闭输出驱动电路的同时，使内部电路继续工作，从而避免重新启动IC造成的延迟。也可以使用输出启用引脚及其它逻辑关闭功能。



　　b.双线PWM调光

　　双线PWM调光是用于汽车内部照明的常见方法。当VIN被调制为低于 VIN-NOMINAL的 70% 时，VINS引脚(图2)检测电压的变化，并将PWM波形转换为和输出驱动电路相应的PWM。这种方法的缺点是转换器的电源必须包含一个电路，以便为其直流输出提供 PWM 波形。

　　c.使用分流器的快速 PWM 调光

　　因为转换器输出的关闭和启动的延迟，对PWM 调光频率和占空比的范围就具有了限制。为了帮助克服这种延迟，可以给LED或LED串并联一个外部分流器(如图3中所示的 FET)，以便使转换器的输出电流快速绕过LED。电感中的电流在“LED关闭期间”保持连续状态，避免了电感基础电流上升和下降时的较长延迟。延迟时间现在变为对分流器上升和下降时间的限制。图3显示装有分流器FET的LM3406，以及使用DIM功能引脚与使用分流器FET时LED开/关延迟的比较图形。在这两种测量方法中，使用的输出电容均为10nf，分流器FET为Si3458。

　　对电流模式转换器的LED电流进行分流时应小心谨慎，因为当FET打开时，输出电流会出现过冲。LM340x系列LED驱动器属于接通时间受控转换器，不会出现这种过冲。LED 的输出电容应保持较低状态，从而尽可能提高开/关/开过渡速度。

　　快速调光与关闭输出的缺点在于效率的损失。当分流器打开时，VShunt device×ILED的功耗转化为热量。使用低 RDS-ON FET将最大限度地减少这种效率损失。

　　LM3409多种调光功能

　　美国国家半导体的LM3409是一种独一无二的LED驱动器，可以轻松实现模拟和 PWM调光功能。在此部件上可以有四种方法实现LED调光：

　　1. 直接使用0V至1.24V的电压源驱动IADJ引脚实现模拟调光;

　　2. 通过在IADJ引脚与Gnd之间放置电位器实现模拟调光;

　　3. 使用Enable引脚实现PWM调光;

　　4. 通过外部分流器FET实现PWM调光。

　　LM3409通过连接电位器实现模拟调光。内部5mA电流源在RADJ上产生电压，该电压反之改变内部电流检测阈值。使用直流电压直接驱动IADJ 引脚可以获得同样效果。



　　图4显示了测得的LED电流与IADJ引脚和Gnd之间的电位器电阻的关系图。1Amp处的平顶表示最大额定LED电流，该值由图4中所示的电流检测电阻 RSNS设置。



　　图 5将测得的LED电流显示为IADJ引脚上的驱动直流电压的函数。请注意RSNS设置了相同的最大LED电流。

　　两种模拟调光选项均可轻松实现并提供线性极强的调光性能，直到低至最大值10%左右的水平。