PWM调光在LED驱动控制中的应用
摘要： 大多数LED包含一个发射蓝光谱光子的区域，它透过一个磷面提供一个宽幅可见光。低电流的时候，磷光占主导，光趋近于黄色。高电流的时候，LED蓝光占主导，光呈现蓝色，从而达到了一个高CCT。当使用一个以上的白光LED的时候，相邻LED的CCT的不同会很明显也是不希望发生的。同样延伸到光源应用里，混合多个单色LED也会存在同样的问题。当我们使用一个以上的光源的时候，LED中任何的差异都会被察觉到。
关键字： PWM调光, 数字脉冲, 白光LED驱动器, 脉冲信号
PWM调光是一种利用简单的数字脉冲，反复开关白光LED驱动器的调光技术。应用者的系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲，即可简单地实现改变输出电流，从而调节白光 LED 的亮度。PWM 调光的优点在于能够提供高质量的白光，以及应用简单，效率高!例如在手机的系统中，利用一个专用 PWM 接口可以简单的产生任意占空比的脉冲信号，该信号通过一个电阻，连接到驱动器的 EN 接口。多数厂商的驱动器都支持PWM 调光。
不管用Buck, Boost, Buck-Boost还是线性调节器来驱动LED，它们的共同思路都是用驱动电路来控制光的输出。一些应用只是简单地来实现“开”和“关”地功能，但是更多地应用需求是要从0到100%调节光的亮度，而且经常要有很高的精度。设计者主要有两个选择：线性调节LED电流(模拟调光)，或者使用开关电路以相对于人眼识别力来说足够高的频率工作来改变光输出的平均值(数字调光)。使用脉冲宽度调制(PWM)来设置周期和占空度(图1)可能是最简单的实现数字调光的方法，并且Buck调节器拓扑往往能够提供一个最好的性能。
图1：使用PWM调光的LED驱动及其波形
推荐的PWM调光
模拟调光通常可以很简单的来实现。我们可以通过一个控制电压来成比例地改变LED驱动的输出。模拟调光不会引入潜在的电磁兼容/电磁干扰(EMC/EMI)频率。然而，在大多数设计中要使用PWM调光，这是由于LED的一个基本性质：发射光的特性要随着平均驱动电流而偏移。对于单色LED来说，其主波长会改变。对白光LED来说，其相关颜色温度(CCT)会改变。对于人眼来说，很难察觉到红、绿或蓝LED中几纳米波长的变化，特别是在光强也在变化的时候。但是白光的颜色温度变化是很容易检测的。
大多数LED包含一个发射蓝光谱光子的区域，它透过一个磷面提供一个宽幅可见光。低电流的时候，磷光占主导，光趋近于黄色。高电流的时候，LED蓝光占主导，光呈现蓝色，从而达到了一个高CCT。当使用一个以上的白光LED的时候，相邻LED的CCT的不同会很明显也是不希望发生的。同样延伸到光源应用里，混合多个单色LED也会存在同样的问题。当我们使用一个以上的光源的时候，LED中任何的差异都会被察觉到。
LED生产商在他们的产品电气特性表中特别制定了一个驱动电流，这样就能保证只以这些特定驱动电流来产生的光波长或CCT。用PWM调光保证了LED发出设计者需要的颜色，而光的强度另当别论。这种精细控制在RGB应用中特别重要，以混合不同颜色的光来产生白光。
从驱动IC的前景来看，模拟调光面临着一个严峻的挑战，这就是输出电流精度。几乎每个LED驱动都要用到某种串联电阻来辨别电流。电流辨别电压(VSNS)通过折衷低能耗损失和高信噪比来选定。驱动中的容差、偏移和延迟导致了一个相对固定的误差。要在一个闭环系统中降低输出电流就必须降低VSNS。这样就会反过来降低输出电流的精度，最终，输出电流无法指定、控制或保证。通常来说，相对于模拟调光，PWM调光可以提高精度，线性控制光输出到更低级。
调光频率VS对比度
LED驱动对PWM调光信号的不可忽视的回应时间产生了一个设计问题。这里主要有三种主要延迟(图2)。这些延迟越长，可以达到的对比度就越低(光强的控制尺度)。
图2：调光延迟
如图所示，tn表示从时间逻辑信号VDIM提升到足以使LED驱动开始提高输出电流的时候的过渡延迟。另外，tsu输出电流从零提升到目标级所需要的时间，相反，tsn是输出电流从目标级下降到零所需要的时间。一般来说，调光频率(fDIM)越低，对比度越高，这是因为这些固定延迟消耗了一小部分的调光周期(TDIM)。fDIM的下限大概是120Hz，低于这个下限，肉眼就不会再把脉冲混合成一个感觉起来持续的光。另外，上限是由达到最小对比度来确定的。
对比度通常由最小脉宽值的倒数来表示：
CR = 1 / tON-MIN : 1
这里tON-MIN = tD + tSU。在机器视觉和工业检验应用中常常需要更高的PWM调光频率，因为高速相机和传感器需要远远快于人眼的反应时间。在这种应用中，LED光源的快速开通和关闭的目的不是为了降低输出光的平均强度，而是为了使输出光与传感器和相机时间同步。
用开关调节器调光
基于开关调节器的LED驱动需要一些特别考虑，以便于每秒钟关掉和开启成百上千次。用于通常供电的调节器常常有一个开启或关掉针脚来供逻辑电平PWM信号连接，但是与此相关的延迟(tD)常常很久。这是因为硅设计强调回应时间中的低关断电流。而驱动LED的专用开关调节则相反，当开启针脚为逻辑低以最小化tD时，内部控制电路始终保持开启，然而当LED关断的时候，控制电流却很高。
用PWM来优化光源控制需要最小化上升和下降延迟，这不仅是为了达到最好的对比度，而且也为了最小化LED从零到目标电平的时间(这里主导光波长和CCT不能保证)。标准开关调节器常常会有一个缓开和缓关的过程，但是LED专用驱动可以做所有的事情，其中包括降低信号转换速率的控制。降低tSU 和 tSN要从硅设计和开关调节器拓扑两方面入手。
Buck调节器能够保持快速信号转换而又优于所有其它开关拓扑主要有两个原因。其一，Buck调节器是唯一能够在控制开关打开的时候为输出供电的开关变换器。这使电压模式或电流模式PWM(不要与PWM调光混淆)的Buck调节器的控制环比Boost调节器或者各种Buck-Boost拓扑更快。控制开关开启的过程中，电力传输同样可以轻易地适应滞环控制，甚至比最好的电压模式或电流模式的控制环还要快。其二，Buck调节器的电导在整个转换周期中连在了输出上。这样保证了一个持续输出电流，也就是说，输出电容被删减掉。没有了输出电容，Buck调节器成了一个真正的高阻抗电流源，它可以很快达到输出电压。Cuk和zeta转换器可以提供持续的输出电感，但是当更慢的控制环(和慢频)被纳入其中的时候，它们会落后。
比开启针脚更快
即使是一个单纯的无输出电容的滞后Buck调节器，也不能满足某些PWM调光系统的需要。这些应用需要高PWM调光频率和高对比度，这就分别需要快速信号转换率和短延迟时间。对于机器视觉和工业检验来说，系统实例需要很高的性能，包括LCD板的背光和投影仪。在某些应用中，PWM调光频率必须超过音频宽，达到25kHz或者更高。当总调光周期降低到微秒级时，LED电流总上升和下降时间(包括传输延迟)，必须降低到纳秒级。
让我们来看看一个没有输出电容的快速Buck调节器。打开和关断输出电流的延迟来源于IC的传输延迟和输出电感的物理性质。对于真正的高速PWM调光，这两个问题都需要解决。最好的方法就是要用一个电源开关与LED链并联(图3)。要关掉LED，驱动电流要经过开关分流，这个开关就是一个典型的n-MOSFET。IC持续工作，电感电流持续流动。这个方法的主要缺点是当LED关闭的时候，电量被浪费掉了，甚至在这个过程中，输出电压下降到电流侦测电压。
图3：分流电路及其波形
用一个分流FET调光会引起输出电压快速偏移，IC的控制环必须回应保持常电流的请求。就像逻辑针脚调光一样，控制环越快，回应越好，带有滞环控制的Buck调节器就会提供最好的回应。
用Boost和Buck-Boost的快速PWM
Boost调节器和任何Buck-Boost拓扑都不适合PWM调光。这是因为在持续传导模式中(CCM)，每个调节器都展示了一个右半平面零，这就使它很难达到时钟调节器需要的高控制环带宽。右半平面零的时域效应也使它更难在Boost或者Buck-Boost电路中使用滞后控制。另外，Boost调节器不允许输出电压下降到输入电压以下。这个条件需要一个输入端短电路并且使利用一个并联FET实现调光变得不可能。。在Buck-Boost拓扑中，并联FET调光仍然不可能或者不切实际，这是因为它需要一个输出电容(SEPIC，Buck-Boost和flyback)，或者输出短电路(Cuk和zeta)中的未受控制得输入电感电流。当需要真正快速PWM调光的时候，最好的解决方案是一个二级系统，它利用一个Buck调节器作为第二LED驱动级。如果空间和成本不允许的时候，下一个最好的原则就是一个串联开关(图4)。
图4：带有串联DIM开关的Boost调节器
LED电流可以被立即切断。另外，必须要特别考虑系统回应。这样一个开路事实上是一个快速外部退荷暂态，它断开了反馈环，引起了调节器输出电压上升。为了避免因为过压失败，我们需要输出钳制电路和/或误差放大器。这种钳制电路很难用外部电路实现，因此，串联FET调光只能用专用Boost/Buck-Boost LED驱动IC来实现。
总而言之，LED光源的单纯控制需要设计的初始阶段就要非常小心。光源越复杂，就越要用PWM调光。这就需要系统设计者谨慎思考LED驱动拓扑。Buck调节器为PWM调光提供了很多优势。如果调光频率必须很高或者信号转换率必须很快，或者二者都需要，那么Buck调节器就是最好的选择。 |