PWM调光技术详解
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在本系列的第一部分中，我们了解了LED光源及其驱动需求的基本知识。在第二部分中，我们讨论了当一个常电流Buck转换器可以被用作led转换模式驱动的时候，为什么它能成为您的首选。在第三部分中，我们研究了大型LED显示及在其它转换拓扑中的应用空间。现在，在本系列的总结篇中，作者将视角转向如何最好地实现调光功能。 不管你用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。 |
