模擬-PWM調(diào)光搭配得宜LED照明色彩更繽紛

1、模擬 /PWM 調(diào)光搭配得宜LED 照明色彩更繽紛類比式 LED 調(diào)光設(shè)計簡單且成本低，但不適合需要穩(wěn)定色溫的應(yīng)用；數(shù)位式PWM 調(diào)光色溫控制較佳，但須搭配MCU ，增加系統(tǒng)成本。設(shè)計人員應(yīng)考量應(yīng)用需求，選擇最適合的調(diào)光方案，方能達(dá)到理想的LED 照明色彩及亮度。在建筑、區(qū)域與崁燈等照明應(yīng)用中，色彩準(zhǔn)確度非常重要，而發(fā)光二極體（ LED ）很適合提供準(zhǔn)確色彩。 LED 顏色可隨著混合紅、 藍(lán)、綠、黃、白等各色而異； 當(dāng)多種色彩混合時，亮度必須調(diào)整。本文針對多種 LED 混色的調(diào)光技巧進(jìn)行介紹。準(zhǔn)確頻道亮度調(diào)控 LED 實現(xiàn)豐富色彩每顆 LED 晶體只能發(fā)出單色光，若希望創(chuàng)造其他色彩，可運用紅、

2、綠、藍(lán)三原色的LED燈混合，只要切換紅、綠、藍(lán)LED 頻道，即可產(chǎn)生七種基本色彩（紅、綠、藍(lán)、黃、紫、淺綠、白）。如果需要更豐富的色彩，只須控制三原色的LED 燈光亮度，就能產(chǎn)生眾多色彩，包括調(diào)整各 LED 頻道的亮度，并控制通過各 LED 串的電流調(diào)控明暗。改變 LED 白光燈的色溫時，通常調(diào)整紅色與白色的 LED 串即可。調(diào)整 LED 明暗共有兩種基本方式：類比（ Analog ）與脈沖寬度調(diào)變（ PWM ）。兩者都是藉由安裝開關(guān)模式或線性 LED 驅(qū)動器，控制通過 LED 串的平均電流，以改變 LED 的亮度。圖 1 為雙串 LED 驅(qū)動器，其中包括一個降壓切換器與一個線性穩(wěn)壓器。兩個L

3、ED 串均可選擇類比或 PWM ，兩者各有優(yōu)缺點，多數(shù)應(yīng)用是依據(jù)混色表現(xiàn)需求選擇調(diào)整方式。圖 1 雙串可調(diào)光 LED 驅(qū)動器，包含一個降壓轉(zhuǎn)換器與一個線性穩(wěn)壓器。類比調(diào)光須掌握電流變化幅度LED 類比調(diào)光是藉由控制通過LED 串的恒電流，達(dá)到調(diào)整明暗效果，可控制晶片內(nèi)的LED電流參考電壓，或是控制晶片外的LED 電流感測電壓。大多數(shù)的 LED 驅(qū)動器，其內(nèi)部包括切換穩(wěn)壓器與線性穩(wěn)壓器，其中的LED 電流高低由公式 1決定：.。公式 1VREF 為晶片內(nèi) LED 電流參考電壓， RSNS 為電壓感測電阻。藉著改變 VREF 可調(diào)整 LED 電流。有些 LED 驅(qū)動器晶片并不允許使用者改變LED

4、電流參考電壓，而在允許改變LED 電流參考的晶片里，通常有兩種改變方式：一是在晶片提供的參考電壓調(diào)整接腳上加入類比電壓； 二為透過 I2C 等數(shù)位通訊介面調(diào)整參考電壓，以圖 1 為例，可藉由 I2C 的指令調(diào)整 LED 電流參考電壓。另一種類比調(diào)光方式為改變LED 電流感測電壓。多數(shù)應(yīng)用的電流感測電阻低于1歐姆（ ohm），也因此，沒有必要使用電位計來改變電流感測電阻，藉由在晶片的電流感測接腳上，再加入外部直流電壓即可達(dá)成效果。圖 2 所呈現(xiàn)的是改變電流感測電壓，其典型類比調(diào)光線路， CS 接腳的電壓則可參考下列公式 2：圖 2類比調(diào)光線路范例。公式 2在穩(wěn)定的狀態(tài)下， CS 接腳電壓會與參考

5、電壓相等。透過調(diào)整外部的直流電壓，或是調(diào)整可變電阻 R2 值，即可以改變LED 電流。在混色應(yīng)用中使用類比調(diào)光將會發(fā)現(xiàn)一項缺點，此即由于LED 色溫會隨電流變化，如果類比調(diào)光電流改變較大，LED 亮度與顏色可能也會生變，導(dǎo)致無法產(chǎn)生理想色彩。PWM 調(diào)光色溫控制精準(zhǔn)PWM 調(diào)光是以固定循環(huán)周期，以及頻率開關(guān)LED 來決定，其調(diào)光的LED 電流計算可參考下列公式 3：.。公式3IDIM 為調(diào)光后的 LED 電流， D 為 PWM 調(diào)光訊號的周期循環(huán)， ILED 則為無調(diào)光的 LED 電流。LED PWM 調(diào)光頻率通常高于200Hz，肉眼無法察覺。許多LED 驅(qū)動器晶片均具備PWM調(diào)光輸入接腳，可

6、接收微控制器（MCU ）產(chǎn)生的 PWM 調(diào)光輸入訊號。通常只有PWM 調(diào)光訊號變?nèi)鯐r，驅(qū)動器晶片才會關(guān)閉金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體（MOSFET）驅(qū)動器；等到訊號轉(zhuǎn)強， MOSFET 驅(qū)動器又會開啟；此外，內(nèi)部線路在PWM 調(diào)光循環(huán)關(guān)閉時仍繼續(xù)運作，避免晶片必須重新啟動，造成PWM 調(diào)光上升緣延遲。在開關(guān)模式 LED 驅(qū)動器中，電容通常會放在 LED 串之中，過濾高頻率切換雜訊，亦可減緩 PWM 調(diào)光 LED 電流的升降緣。 因此，高頻率低循環(huán) PWM 調(diào)光應(yīng)用必須移除電容。 圖 3 呈現(xiàn) LED 降壓穩(wěn)壓器無輸出電容的 PWM 調(diào)光波形。圖 3 PWM 調(diào)光 LED 電流波形類比至 PWM

7、調(diào)光具過熱保護(hù)功能有些 LED 驅(qū)動器晶片具備類比至 PWM 調(diào)光功能，晶片調(diào)光接腳接收類比訊號后，轉(zhuǎn)換為 PWM 調(diào)光訊號。 PWM 調(diào)光頻率固定，且循環(huán)周期與輸入類比訊號級成比例。照明應(yīng)用里若無 MCU ，則類比至 PWM 調(diào)光方案助益極大。類比至 PWM 調(diào)光設(shè)計可發(fā)揮過熱保護(hù)功能，如果 LED 板地溫度超過設(shè)定值， PWM 調(diào)光便可以降低 LED 電流。分流 FET PWM 調(diào)光適用于高頻率分流 FET PWM 調(diào)光通常用于極高頻率的 LED PWM 調(diào)光。圖 4 呈現(xiàn)以降壓穩(wěn)壓器為基礎(chǔ)的分流 FET PWM 調(diào)光線路，外部分流 FET 擺放位置與 LED 串平行，以迅速繞過轉(zhuǎn)換器輸出

8、電流；當(dāng)分流 FET 開啟時， LED 串關(guān)閉，反之亦然。所以， LED 串透過分流 FET 達(dá)到有效的 PWM 調(diào)光。有些 LED 驅(qū)動器晶片提供 MOSFET 驅(qū)動器，做為分流 FET PWM 調(diào)光之用，故不需外部 MOSFET 驅(qū)動器。圖 4 分流 FET PWM 調(diào)光范例在分流 FET PWM 調(diào)光過程中，切換穩(wěn)壓器的電感電流維持不變，電感電流升降不會造成延遲。若具備功能強大的 MOSFET 驅(qū)動器，分流 FET 能以極高速開關(guān)，故 PWM 調(diào)光的 LED 電流升降緣相當(dāng)尖銳。分流 FET PWM 調(diào)光很適合高頻率 PWM 調(diào)光應(yīng)用。理想LED照明有賴多方考量在LED混色應(yīng)用中，調(diào)光對達(dá)成理想色彩及亮度相當(dāng)重要。LED調(diào)光方式眾多，主要有類