LED背光控制器调光方式探讨

作者: 黄福源

LED调光有很多方式，依系统应用的不同需求，有不同的选择，可以依LED输出电流波形的不同，区分为脉波宽度调光(PWM Dimming)与模拟调光(Analog Dimming)两种。简单的说，所谓脉波宽度调光就是指LED的输出电流是一个LED导通和LED不导通的周期性方波输出，藉由改变方波波形的导通时间宽度来调节LED的平均电流大小，来达成调光的功能。所以LED平均电流值可以等于方波的导通周期乘以最大电流，亦即ILEDavg= Duty(%) × ILEDmax，如图(一)所示。


图(一) 脉波宽度调光(PWM Dimming)

模拟调光是LED的输出电流是一个模拟的输出波形，藉由改变输出电流准位的大小来调节LED的电流值，达成改变光源亮度调光的功能，如图(二)所示。


图(二) 模拟调光(Analog Dimming)

如果考虑到LED调光的输入控制信号的话，依据LED调光的输入控制信号，及LED输出电流波形的不同，可归纳为4种组态，如表(一)所示。这些不同的调光控制方式，分别应用在照明方面，如商用照明、办公室照明、居家照明等室内照明需求及显示器或液晶电视的背光模块中，系统业者根据不同的产品应用规格，可以选择优化最具竞争力的调光方式。

表(一) LED调光分类


过去面板背光源是采用冷阴极灯管CCFL，由于电流跟亮度的曲线没有很线性，所以就采用PWM调光控制，此一趋势一直沿用到目前的LED背光控制，而为了简化架构不做太多的变更，调光的输入控制信号就维持使用PWM调光，调光频率为大于100Hz数字信号，以LED输出电流的波形是数字或模拟来定义PWM调光或模拟调光。表(二)为脉波宽度调光与模拟调光的特性比较表，有助于了解两者特性的不同。

表(二) 脉波宽度调光与模拟调光的特性比较表


总之，如果不了解各种LED调光方式特性及优缺点的不同及实际系统端的应用，并不容易找到正确的调光方法。本文会提出一些分析，透过这些分析，了解LED调光方法和其优缺点就可以选择适当的调光方法与LED驱动IC进行应用。

（一）LED驱动IC脉波宽度调光应用(PWM Dimming)

以图(三)是一个升压单串LED电流，脉波宽度调光应用线路。DIM Pin输入信号为脉波信号，LED电流为了达到脉波波形输出，势必需要在LED的路径上串接一个功率开关Q2，当DIM Pin输入信号为高准位时，驱动IC开始动作，对磁性组件电感进行储能与释能，将输出电压升高到足以让LED串导通，同时调光开关Q2导通(Turn On)，所以LED输出电流马上建立。当DIM Pin输入信号为低准位时，驱动IC不动作，输出电压无法建立让LED串导通，同时调光开关Q2截止(Turn OFF)，将LED输出电流同步截止。所以脉波宽度调光应用线路(PWM Dimming)需要增加一个调光开关Q2在LED串联的路径上，来达到较佳的脉波输出。这种脉波宽度的调光方式，是改变脉波导通周期的大小，可以达到1000:1的调光周期(dimming ratio)，所以具有较佳的高低亮度明暗对比。在目前的消费性电子产品显示器和液晶电压广泛的应用。图(四)是一个实测的波形，输入电压20V, LED串的电压约50V，LED电流500mA，在1KHz/50%调光下的LED电流波形跟升压开关Q1 Gate 的电压波形。由波形可知，LED输出电压涟波电压小，LED电流为一导通/不导通的电流信号，LED驱动IC DRV pin驱动信号是一高频切换周期随着调光信号做开及关的切换，脉波宽度调光(PWM Dimming)所产生的高频及不连续的输出信号容易衍生出EMI、音频干扰及面板显示器水纹波等等问题。


图(三) 脉波宽度调光应用线路一


图(四) 实测波形一

图(五)是一个升压单串LED电流，脉波宽度调光应用线路。为了节省成本，把原本应该串接在LED串路径上做调光用的开关组件Q2给移除。当DIM Pin输入信号为高准位时，驱动IC开始动作，对磁性组件电感进行储能与释能，把输出电压升高，但随着输出电压建立的过程，LED串电流也开始慢慢导通。当DIM Pin输入信号为低准位时，驱动IC不动作，储存在输出电容COUT上的电压会经由LED串路径慢慢泄放掉，在调光模式下LED的电流波形，为一个近乎失真的脉波波形，如图(六)所示。


图(五) 脉波宽度调光应用线路二


图(六) 实测波形二

把LED串的调光开关组件省略，这种应用最大的优点是可节省成本，但是提供一个粗糙的亮度调整，利用眼睛视觉暂留反应较慢的特性作为滤波功能，线路的切换频率随调光频率开开关关，在调光频率Off 时，LED依然流出电流，输出电压下降，在调光频率ON时，输出电压会不足以让LED串完全导通，驱动IC内部的误差放大器势必动作去增加电感能量，使输出电压上升。如此，会牺牲了线路特性，LED输出电压涟波明显变大，LED输出电流既非脉波输出也非线性输出，所以LED调光电流的线性度，LED平均电流和亮度的线性度会不佳。在调光周期小时，有可能会有闪烁情况，所以调光周期范围会受限，调光的对比度也会明显变差。EMI、音频干扰及面板显示器水纹波等问题都依然存在，所以这不是一个好的调光方式。