用于LED燈亮度調(diào)節(jié)的PWM實(shí)現(xiàn)方式_伏城

1、電子報(bào)/2011年/10月/2日/第 025版農(nóng)村電子用于LED燈亮度調(diào)節(jié)的PWM實(shí)現(xiàn)方式廣東伏城LED燈技術(shù)的快速發(fā)展，使得從以前的商場(chǎng)裝飾照明、政府亮化工程、娛樂(lè)場(chǎng)所點(diǎn)綴裝潢以 及廣告牌宣傳等領(lǐng)域，逐步進(jìn)入家庭的裝飾照明、要求不高的照明場(chǎng)所，以及臺(tái)燈、條形LED日光燈等等。近期，不斷的LED新品推出用于照明燈的替換，特別是球形LED燈和條形LED燈的新技術(shù)注入，使得 LED燈逐漸有替換白熾燈之趨勢(shì)。在照明領(lǐng)域中，LED燈的成熟技術(shù)主要在于恒流驅(qū)動(dòng)和PWM驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。恒流驅(qū)動(dòng) LED技術(shù)在技術(shù)方面比較成熟，由于其固定的亮度模式，使得應(yīng)用非常普遍，其成熟的分立元件電路 和專用集成IC也比較多。

2、而在照明領(lǐng)域，另外一種重要應(yīng)用，就是照明器件的調(diào)光。對(duì)于白熾 燈的調(diào)光電路，大家都會(huì)頗為熟悉地想到可控硅調(diào)光電路（見圖1所示）。從圖1的波形上看出，調(diào)光是調(diào)整的正弦波幅度。而在LED調(diào)光中，也是可以采取這種調(diào)光方式的，但不能做到對(duì)LED的精細(xì)調(diào)整。如果要對(duì) LED燈進(jìn)行精細(xì)調(diào)光，則 PWM調(diào)光是較為理想的一種。實(shí)際上，LED的調(diào)光大致可分為 PWM調(diào)光（含Buck、Boost、Buck-Boost）、線性調(diào)光以及可 控硅調(diào)光等方式，但它們的共同思路都是用驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制光的輸出。一些應(yīng)用只是簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)“開”和“關(guān)”的功能，但是更多地應(yīng)用需求是要從0100%調(diào)節(jié)光的亮度，而且經(jīng)常要有很高的精度。要

3、滿足這樣的需求通常有兩個(gè)選擇：線性調(diào)節(jié)LED電流，或者使用開關(guān)電路以相對(duì)于人眼識(shí)別力來(lái)說(shuō)，足夠高的頻率工作來(lái)改變光輸出的平均值（數(shù)字調(diào)光）。使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）來(lái)設(shè)置周期和占空度（見圖2、3）可能是最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)光的方法，并且Buck調(diào)節(jié)器拓?fù)渫軌蛱峁┮粋€(gè)最好的性能。一、認(rèn)識(shí)LED燈中的PWM調(diào)光模擬調(diào)光通常可以很簡(jiǎn)單地來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)一個(gè)控制電壓來(lái)成比例地改變LED驅(qū)動(dòng)的輸出。單純的電阻式模擬調(diào)光，不會(huì)引入潛在的電磁兼容/電磁干擾（EMC/EMI）頻率。然而，以及在大多數(shù)設(shè)計(jì)中要使用 PWM調(diào)光，這是由于 LED的一個(gè)基本性質(zhì)：發(fā)射光的特性要隨著平均驅(qū)動(dòng)電流 而偏移。對(duì)于單色 LE

4、D來(lái)說(shuō)，其主波長(zhǎng)會(huì)改變。對(duì)白光LED來(lái)說(shuō)，其相關(guān)顏色溫度（CCT）會(huì)改變。對(duì)于人眼來(lái)說(shuō)，很難察覺(jué)到紅、綠或藍(lán) LED中幾納米波長(zhǎng)的變化，特別是在光強(qiáng)也在變化 的時(shí)候。但是白光的顏色溫度變化是很容易檢測(cè)的。大多數(shù)LED包含一個(gè)發(fā)射藍(lán)光譜光子的區(qū)域，它透過(guò)一個(gè)磷面提供一個(gè)寬幅可見光。低電 流的時(shí)候，磷光占主導(dǎo)，光趨近于黃色。高電流的時(shí)候，LED藍(lán)光占主導(dǎo)，光呈現(xiàn)藍(lán)色，從而達(dá)到了一個(gè)高CCT。當(dāng)使用一個(gè)以上的白光 LED的時(shí)候，相鄰LED的CCT不同會(huì)很明顯，也是 不希望發(fā)生的。同樣延伸到光源應(yīng)用里，混合多個(gè)單色LED也會(huì)存在同樣的問(wèn)題。當(dāng)我們使用一個(gè)以上光源的時(shí)候，LED中任何的差異都會(huì)被察覺(jué)到。

5、LED生產(chǎn)商在他們的產(chǎn)品電氣特性表中， 特別制定了一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流， 這樣就能保證只以這些 特定驅(qū)動(dòng)電流來(lái)產(chǎn)生的光波長(zhǎng)或 CCT。用PWM調(diào)光保證了 LED發(fā)出設(shè)計(jì)者需要的顏色，而光 的強(qiáng)度另當(dāng)別論。這種精細(xì)控制在 RGB應(yīng)用中特別重要，以混合不同顏色的光來(lái)產(chǎn)生白光。從驅(qū)動(dòng)IC的前景來(lái)看，模擬調(diào)光面臨著一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，這就是輸出電流精度。幾乎每個(gè)LED驅(qū)動(dòng)都要用到某種串聯(lián)電阻來(lái)辨別電流。電流辨別電壓（VSNS）通過(guò)折衷低能耗損失和高信噪比來(lái)選定。驅(qū)動(dòng)中的容差、偏移和延遲導(dǎo)致了一個(gè)相對(duì)固定的誤差。要在一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)中降低輸 出電流就必須降低 VSNS。這樣就會(huì)反過(guò)來(lái)降低輸出電流的精度，最終，輸出電流無(wú)

6、法指定、控 制或保證。通常來(lái)說(shuō)，相對(duì)于漠?dāng)M調(diào)光，PWM調(diào)光可以提高精度，線性控制光輸出到更低級(jí)。二、用開關(guān)調(diào)節(jié)器調(diào)光基于開關(guān)調(diào)節(jié)器的 LED驅(qū)動(dòng)需要一些特別考慮，以便于每秒鐘關(guān)掉和開啟成百上千次。用 于通常供電的調(diào)節(jié)器常常有一個(gè)開啟或關(guān)閉引腳來(lái)供，邏輯電平PWM信號(hào)連接，但是與此相關(guān)的延遲（tD）常常很久。這是因?yàn)楣柙O(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)回應(yīng)時(shí)間中的低關(guān)斷電流。而驅(qū)動(dòng)LED的專用開關(guān)調(diào)節(jié)則相反，當(dāng)開啟引腳為邏輯低以最小化tD時(shí)，內(nèi)部控制電路始終保持開啟，然而當(dāng) LED關(guān)斷的時(shí)候，控制電流卻很高。用PWM來(lái)優(yōu)化光源控制需要最小化上升和下降延遲，這不僅是為了達(dá)到最好的對(duì)比度，而 且也為了最小化 LED從零到目標(biāo)

7、電平的時(shí)間（這里主導(dǎo)光波長(zhǎng)和 CCT不能保證）。標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)調(diào)節(jié) 器常常會(huì)有一個(gè)緩開和緩關(guān)的過(guò)程，但是LED專用驅(qū)動(dòng)可以做所有的事情，其中包括降低信號(hào)轉(zhuǎn)換速率的控制。Buck調(diào)節(jié)器能夠保持快速信號(hào)轉(zhuǎn)換而又優(yōu)于所有其他開關(guān)拓?fù)?，這主要有兩個(gè)原因：其一，Buck調(diào)節(jié)器是唯一能夠在控制開關(guān)打開時(shí)為輸出供電的開關(guān)變換器。這使電壓模式或電流模式PWM（不要與PWM調(diào)光混淆）的Buck調(diào)節(jié)器的控制環(huán)比 Boost調(diào)節(jié)器，或者各種 Buck-Boost拓 撲更快?？刂崎_關(guān)開啟的過(guò)程中，電力傳輸同樣可以輕易地適應(yīng)滯環(huán)控制，甚至比最好的電壓模 式或電流模式的控制環(huán)還要快。其二，Buck調(diào)節(jié)器的電導(dǎo)在整個(gè)轉(zhuǎn)換周期中連

8、在了輸出上。這樣保證了一個(gè)持續(xù)輸出電流，也就是說(shuō)，輸出電容被刪減掉。沒(méi)有了輸出電容，Buck調(diào)節(jié)器成了一個(gè)真正的高阻抗電流源，它可以很快達(dá)到輸出電壓。Cuk和zeta轉(zhuǎn)換器可以提供持續(xù)的輸出電感， 但是當(dāng)更慢的控制環(huán)（和慢頻）被納入其中的時(shí)候，它們會(huì)落后。即使是一個(gè)單純的無(wú)輸出電容的滯后Buck調(diào)節(jié)器，也不能滿足某些PWM調(diào)光系統(tǒng)的需要。這些應(yīng)用需要高 PWM調(diào)光頻率和高對(duì)比度，這就分別需要快速信號(hào)轉(zhuǎn)換率和短延遲時(shí)間。對(duì)于 機(jī)器視覺(jué)和工業(yè)檢驗(yàn)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)實(shí)例需要很高的性能，包括LCD板的背光和投影儀。在某些應(yīng)用中，PWM調(diào)光頻率必須超過(guò)音頻寬，達(dá)到 25kHz或者更高。當(dāng)總調(diào)光周期降低到微秒級(jí)時(shí)

9、， LED電流總上升和下降時(shí)間（包括傳輸延遲），必須降低到納秒級(jí)。此處介紹一款沒(méi)有輸出電容的快速Buck調(diào)節(jié)器。打開和關(guān)斷輸出電流的延遲來(lái)源于IC的傳輸延遲和輸出電感的物理性質(zhì)。對(duì)于真正的高速PWM調(diào)光，這兩個(gè)問(wèn)題都需要解決。最好的方法就是要用一個(gè)電源開關(guān)與LED鏈并聯(lián)（圖4）。要關(guān)掉LED，驅(qū)動(dòng)電流要經(jīng)過(guò)開關(guān)分流。IC持續(xù)工作，電感電流持續(xù)流動(dòng)。這個(gè)方法的主要缺點(diǎn)是當(dāng)LED關(guān)閉時(shí)，電量被浪費(fèi)掉了，甚至在這個(gè)過(guò)程中，輸出電壓下降到電流偵測(cè)電壓。用一個(gè)分流FET調(diào)光會(huì)引起輸出電壓快速偏移，IC的控制環(huán)必須回應(yīng)保持常電流的請(qǐng)求。就像邏輯引腳調(diào)光一樣，控制環(huán)越快，回應(yīng)越好，帶有滯環(huán)控制的Buck調(diào)節(jié)

10、器就會(huì)提供最好的回應(yīng)。三、用 Boost 和 Buck-Boost 的快速 PWMBoost調(diào)節(jié)器和任何 Buck-Boost拓，撲都不適合 PWM調(diào)光。這是因?yàn)樵诔掷m(xù)傳導(dǎo)模式中 （CCM），每個(gè)調(diào)節(jié)器都展示了一個(gè)右半平面零，這就使它很難達(dá)到時(shí)鐘調(diào)節(jié)器需要的高控制環(huán)帶 寬。右半平面零的時(shí)域效應(yīng)也使它更難在Boost或者Buck-Boost電路中使用滯后控制。另外，Boost調(diào)節(jié)器不允許輸出電壓下降到輸入電壓以下。這個(gè)條件需要一個(gè)輸入端短電路并且利用一個(gè)并聯(lián) FET實(shí)現(xiàn)調(diào)光變得不可能。在 Buck-Boost拓?fù)渲?，并?lián) FET調(diào)光仍然不可能或者不切實(shí)際，這 是因?yàn)樗枰粋€(gè)輸出電容 （SEPI

11、C, Buck-Boost和flyback），或者輸出短電路（Cuk和zeta）中的未 受控制的輸入電感電流。當(dāng)需要真正快速PWM調(diào)光時(shí)，最好的解決方案是一個(gè)二級(jí)系統(tǒng)，它利用一個(gè)Buck調(diào)節(jié)器作為第二 LED驅(qū)動(dòng)級(jí)。如果空間和成本不允許的時(shí)候，下一個(gè)最好的原則就 是一個(gè)串聯(lián)開關(guān)（圖5）。LED電流可以被立即切斷。另外，必須要特別考慮系統(tǒng)回應(yīng)。這樣一個(gè)開路事實(shí)上是一個(gè)快 速外部退荷暫態(tài)，它斷開了反饋環(huán)，引起了調(diào)節(jié)器輸出電壓上升。為了避免因?yàn)檫^(guò)壓失敗，需要 輸出鉗制電路和誤差放大器。這種鉗制電路很難用外部電路實(shí)現(xiàn)，因此，串聯(lián)FET調(diào)光只能用專 第3頁(yè)共4頁(yè) 1 *4-2012 Chirui Aca

12、demic Journal Ekctronic PuKlijihing House. All rights reserved, http:/wavi. Jidt用 Boost/Buck-Boost LED 驅(qū)動(dòng) IC 來(lái)實(shí)現(xiàn)?？偠灾?，LED光源的單純控制需要設(shè)計(jì)的初始階段就要非常小心。光源越復(fù)雜，就越要用PWM調(diào)光。這就需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)者謹(jǐn)慎思考 LED驅(qū)動(dòng)拓?fù)洹uck調(diào)節(jié)器為PWM調(diào)光提供了很多 優(yōu)勢(shì)。如果調(diào)光頻率必須很高或者信號(hào)轉(zhuǎn)換率必須很快，或者二者都需要，那么Buck調(diào)節(jié)器就是最好的選擇。jffiflJ gUtH熄1的第4頁(yè)共4頁(yè)& 1 *4-2012 China Academic J

13、ournal Electronic Publishing Huuse. All rihts reserved. h(Lp:,第#頁(yè)共4頁(yè)& 1 *4-2012 China Academic Journal Electronic Publishing Huuse. All rihts reserved. h(Lp:,. Tm * Wtt Tm * Ott-ksa* OfljdfN*ItihJ* 1 I Tm = t T*ftJ*竺JToffnnh第#頁(yè)共4頁(yè)& 1 *4-2012 China Academic Journal Electronic Publishing Huuse. All rihts reserved. h(Lp:,第#頁(yè)共4頁(yè)& 1 *4-2012 China Academic Journal Electronic Publishing Hu