详解LED PWM调光技术及设计注意点

加速调光频率PWM实现精准LED调光

无论LED是经由降压、升压、降压/升压或线性稳压器驱动，连接每一个驱动电路最常见的线程就是须要控制光的输出。现今仅有很少数的应用只需要开和关的简单功能，绝大多数都需要从0～100%去微调亮度。目前，针对亮度控制方面，主要的两种解决方案为线性调节LED的电流（模拟调光）或在肉眼无法察觉的高频下，让驱动电流从0到目标电流值之间来回切换（数字调光）。利用脉冲宽度调变（PWM）来设定循环和工作周期可能是实现数字调光的最简单的方法，原因是相同的技术可以用来控制大部分的开关转换器。

PWM调光能调配准确色光

一般来说，模拟调光比较容易实行，这是因为LED驱动器的输出电流变化与控制电压成比例，而且模拟调光也不会引发额外的电磁兼容性（EMC）/电磁干扰（EMI）潜在频率问题。然而，大部分设计采用PWM调光的理由都是基于LED的基本特性，即放射光的位移是与平均驱动电流的大小成比例（图1）。对于单色LED来说，主要光波的波长会发生变化，而在白光LED方面，出现变化的是相对色温（CCT）。对于人们的肉眼来说，很难察觉出红、绿或蓝光LED中的奈米波长变化，尤其是当光的强度也同样在改变，但是白光的色温变化则比较容易察觉出来。大多数的白光LED都包含一片可放射出蓝光频谱光子的晶圆，这些光子在撞击磷光涂层后便会放射出各种可见光范围内的光子。在较小的电流下，磷光会成为主导并使光线偏向黄色；而在较大电流下，LED放射出来的蓝光则较多，使得光线偏向蓝色，同时也会产生较高的CCT.对于使用超过一个白光LED的应用，在两个相邻LED之间出现的CCT差异会很明显，且视觉令人不悦，此概念可以进一步延伸将多个单色LED光线混和在一起的光源。一旦超过一个光源，任何出现在它们之间的CCT差异都会令人感到刺眼。

图1采用PWM调光的LED驱动器及波形

LED制造商会在其产品的电流特性表中指定驱动电流的大小，其只会在这些特定电流条件下对产品的主波长或CCT提供保证。PWM调光的优点在于完全毋须考虑光的强弱，也能确保LED放射出设计人员所需的颜色。这种精确的控制对于红绿蓝（RGB）应用尤其重要，因为这些应用是将不同颜色的光线混和以产生白光。

从驱动器集成电路的角度看，模拟调光面临着输出电流准确性的严峻挑战。几乎所有的LED驱动器都在输出端加入某种形式的串行电阻来侦测电流，而所选用的电流感测电压VSNS会产生一个协调作用，使电路能保持高信号信噪比（SNR），同时维持低功耗，由驱动器中的容限度、偏移和延迟所引致的误差则相对保持固定。要在封闭回路系统中降低输出电流，就必须要调降VSNS，但如此一来，输出电流的准确性便会下降，直至VSNS的绝对值等于误差电压为止，最后，输出电流会变得无法控制，目标输出电流将不能被确定或保证。一般来说，PWM调光除了可以提高准确性之外，对于低阶光输出的线性控制也较模拟调光强。

调光频率与对比度成反比

对于PWM调光信号而言，每个LED都有限定的响应时间，图2表示三种不同的延迟，延迟愈大者表示能达到的对比度就愈低（对光强度控制的一种测量方法）。

图2调光延迟

图2中的时间量tD表示由逻辑信号VDIM上升开始，至LED驱动器开始增加输出电流开始之间的传播延迟，而时间量tSU则表示输出电流由0转换到目标电流所需的时间，至于时间量tSD代表输出电流从目标电流转换回0所需的时间。在大多数的情况下，调光频率fDIM愈低，对比度就愈高，这是因为这些固定延迟只会占用少部分的调光周期TDIM.调光频率fDIM的下限约为120Hz，假如低于此频率，眼睛便不能再将脉冲混和成一个可见的连续光线。至于上限则取决于最低对比度的要求，对比度一般被表示成最低导通时间的倒数。

CR＝1 / tON-MIN：1

tON-MIN＝tD＋tSU

机械视觉辨识和工业检验等应用通常都需要较高的PWM调光频率，主因为高速摄影机和传感器的反应速度比人类眼睛快很多。在这类应用中，对于LED光源进行高速开和关的目的不是要降低平均的光输出量，而是要将光输出与传感器或摄影机的捕捉时间进行同步化。

利用开关稳压器来调光

为了达到每秒开关数百次或甚至数千次，以开关稳压器为基础的LED驱动器，须经过特别的设计考虑。针对标准电源供应而设计的稳压器一般都会设计一根"启动"或关闭接脚，以便供逻辑PWM信号使用，但连带的延迟tD则颇长，这是由于硅芯片的设计强调在响应时间内维持低停机电流。然而，专用来驱动LED的开关稳压器则恰好相反，它可在「启动」接脚逻辑低时，保持内部控制电路的活动，以将tD减至最低，而当LED被关关时，则会面临较大工作电流的困扰。

在使用PWM来达成光控制优化时，要把转上（Slew-up）和转下（Slew-down）延迟维持在最低，这不单为了获得最佳的对比度，而且还可减少LED花在由0到目标所需的时间。（在此条件下，并不保证主波长或CCT与目标值相同）在这里的标准开关稳压器将设有一个软启动，通常也搭配一个软关闭，而专用的LED驱动器会在其控制之内执行所有工作以减少这些回转率（Slew Rate）。要降低tSU和tSD，须要同时从硅芯片的设计和开关稳压器所采用的拓扑着手。

具备较快速回转率的降压稳压器，比其他所有的开关拓扑结构在两个地方表现更为优异，首先降压稳压器是唯一可在控制开关启动时，将功率输送到输出端的开关转换器，此特点使得电压模式或电流模式PWM（这里不要与PWM调光混淆）的降压稳压器之控制回路，比起升压稳压器或其他降压/升压拓扑更为快速。此外，在控制开关启动期间的功率传输能够轻易改为磁滞控制，使其速度甚至比最佳的电压模式或电流模式控制的回路更快。其次，降压稳压器的电感器在整个开关周期内都是连接在输出端，此可确保输出电流的连续性，也意谓毋须使用输出电容器。少了输出电容器后，降压稳压器便可成为真正的高阻抗电流源，能够迅速转换输出电压。邱克型（Cuk）和Zeta转换器虽可提供连续性输出电感器，但由于它们的控制回路较慢，效率也较低，因此并非最佳选择。