如何聰明地對(duì)LED進(jìn)行PWM調(diào)光 - 不得不知的高效率、高調(diào)光比LED恒流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　2.3 模擬和PWM調(diào)光（DIM）

　　通常希望在不同的應(yīng)用場(chǎng)合和環(huán)境下， LED的發(fā)光亮度能夠隨著應(yīng)用和環(huán)境的變化隨時(shí)可調(diào)， 這就需要LED驅(qū)動(dòng)器具有調(diào)光的功能?，F(xiàn)在， 最常用的LED調(diào)光方式有： 模擬調(diào)光、PWM調(diào)光、數(shù)字調(diào)光等方式。

　　模擬調(diào)光是通過線性的改變LED驅(qū)動(dòng)器的輸出電流來(lái)調(diào)整LED的發(fā)光亮度， 它的優(yōu)點(diǎn)是能夠避免由PWM或數(shù)字調(diào)光所產(chǎn)生的噪聲等問題， 缺點(diǎn)是模擬調(diào)光會(huì)改變LED的驅(qū)動(dòng)電流， 從而引起LED的色偏。PWM調(diào)光方式是通過反復(fù)開關(guān)LED驅(qū)動(dòng)器， 在PWM信號(hào)使能期間輸出電流， 其它時(shí)間內(nèi)關(guān)閉LED驅(qū)動(dòng)， 通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比可來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)光。PWM調(diào)光的原理是利用人眼的‘視覺暫留’ 效應(yīng)， 但為了避免人眼能夠看到LED的閃爍， PWM調(diào)光的頻率應(yīng)在100 Hz以上。

　　由于不會(huì)改變LED平均電流， PWM調(diào)光也就不會(huì)改變LED的色度。

　　圖4 模擬調(diào)光等效電路圖

　　圖4給出了模擬調(diào)光等效電路圖。圖4是一個(gè)差分輸入結(jié)構(gòu)。其中輸入V1為一固定電平2.5 V，V2為DIM引腳的輸入經(jīng)電阻分壓后的電平。由于本電路只工作于大信號(hào)情況下， 所以首先對(duì)其大信號(hào)進(jìn)行分析。N1、N2管組成的電流鏡將兩通路電流強(qiáng)制相等， 則：

　　壓大于V1時(shí)， 由于L2點(diǎn)電壓為低N3、N4截止。輸出Io為零， 無(wú)調(diào)光效果。當(dāng)V2減小到2.5 V， 兩邊電流相等， 輸出也為零。此時(shí)若V2從2.5 V減小ΔV， 由公式（3） 可知電壓L1與L3之差就增大ΔV， 這樣引起的電壓差在電阻上產(chǎn)生的電流經(jīng)過N3、N4鏡像后就得到輸出電流Io。該電流將進(jìn)入電流采樣模塊， 并影響電流采樣電壓CS的大小， 從而起到改變輸出電流的作用。

　　圖5給出了芯片模擬調(diào)光過程仿真圖。從圖中可以看到， 當(dāng)DIM引腳電壓逐漸降低時(shí)， LED平均電流IL也開始按一定比例降低， 在DIM引腳電壓低于0.3 V時(shí)， 功率管被關(guān)斷， LED電流下降到零。這就說(shuō)明模擬調(diào)光模塊能很好的控制LED驅(qū)動(dòng)電流大小。

　　圖5 模擬調(diào)光過程仿真圖

　　圖6給出了PWM調(diào)光等效電路圖， 通過在DIM引腳加入可變占空比的PWM信號(hào)就可以改變輸出電流， 從而實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光。

　　圖6 PWM調(diào)光等效電路圖

　　圖6中， 當(dāng)DIM由高變低， 小于VT_L時(shí)， 使能變EN為高。此時(shí)VT選通為VT_H， 當(dāng)DIM由低變高， 高于VT_H時(shí)使能轉(zhuǎn)換， 并實(shí)現(xiàn)一定的電壓遲滯。如果輸入信號(hào)是PWM信號(hào)， 同樣通過上述工作過程， 這樣EN輸出同樣為PWM信號(hào)， 控制內(nèi)部功率管的開關(guān)， 從而達(dá)到控制輸出電流的目的。

　　圖7給出了當(dāng)DIM輸入典型值20 kHz、占空比為50%的PWM方波時(shí)， 輸出電流波形。從圖中可以看到在DIM引腳輸入一定占空比的方波時(shí)，LED的平均電流與PWM方波的占空比成正比， 因此通過設(shè)定PWM方波的占空比， 就可以改變LED平均電流的大小。

　　圖7 PWM調(diào)光波形圖

　　由上圖還可以看出， 當(dāng)輸出一個(gè)電感電流周期時(shí)， PWM方波具有最小的占空比， 約為4%，此時(shí)最大調(diào)光比為25:1。顯然， 采用周期越長(zhǎng)，頻率越低的PWM方波進(jìn)行數(shù)字調(diào)光所獲得的調(diào)光比就越高， 但考慮到人眼的視覺暫留效應(yīng)， 為防止輸出LED電流頻率過低引起閃爍， 應(yīng)用時(shí)一般設(shè)置最低fDIM=100 Hz， 此時(shí)最大調(diào)光比可高達(dá)5000:1。

　　3 仿真結(jié)果

　　本文基于1 μm 40 V CSMC工藝模型， 使用HSPICE軟件， 對(duì)整體芯片進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

　　表1給出了典型條件下， 采樣電阻RS=0.33ohm， 電感L=100 μH時(shí)， 在不同的電源電壓， 不同LED連接數(shù)目下， LED輸出電流精度。芯片由于采樣延遲、采樣精度、驅(qū)動(dòng)級(jí)延遲等因素， 會(huì)導(dǎo)致輸出電流產(chǎn)生誤差。在不同的電源電壓和負(fù)載條件下， 從表一中可以看到輸出電流精度均能很好的控制在5.5%以內(nèi)。同時(shí)也可以看到， 要實(shí)現(xiàn)較好的電流精度， 固定負(fù)載下需要相應(yīng)的電源電壓與之匹配。

　　表1 輸出電流精度

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文基于1 μm 40 V CSMC高壓工藝， 設(shè)計(jì)了一種寬電壓輸入、大電流、高調(diào)光比LED恒流降壓驅(qū)動(dòng)芯片。在滯環(huán)電流控制模式下， 芯片具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、不需要補(bǔ)償電路等優(yōu)點(diǎn)。通過DIM引腳， 芯片可以方便的進(jìn)行LED開關(guān)、模擬調(diào)光和寬范圍的PWM調(diào)光。仿真結(jié)果表明， 當(dāng)輸入電壓從8 V變化到30 V時(shí)， 芯片輸出電流最大偏差不超過5.5%。此外， 在芯片驅(qū)動(dòng)7個(gè)LED時(shí)， 效率可高達(dá)97%。