詳細(xì)分析對(duì)比可調(diào)光LED方案

　　LED照明的迅速發(fā)展意味著需要大量的IC器件為L(zhǎng)ED提供電源控制。在現(xiàn)在的節(jié)能時(shí)代，為了控制LED電流，開(kāi)關(guān)式LED驅(qū)動(dòng)器早已開(kāi)始取代高能耗的線(xiàn)性器件。從閃光燈到街燈，再到體育場(chǎng)的記分牌，都對(duì)這些產(chǎn)品要求精確控制的LED光輸出（即光通量）。

　　光通量（單位流明）是光源發(fā)出有用功的度量，該性能指標(biāo)是一個(gè)所有波長(zhǎng)的能量和專(zhuān)門(mén)對(duì)應(yīng)人眼反應(yīng)的可見(jiàn)光區(qū)域的加權(quán)函數(shù)。LED的光通量與驅(qū)動(dòng)電流的大小成正比。很多情況下，光輸出的實(shí)時(shí)變化都須通過(guò)改變LED驅(qū)動(dòng)電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就是通常所謂的調(diào)光控制。

　　在很多調(diào)光應(yīng)用中顏色的控制同樣重要，制造高亮度白光LED通常的方法是在發(fā)射藍(lán)光的LED芯片上覆蓋一層熒光粉半球涂層。最終的發(fā)射光在一定色溫下將呈現(xiàn)白光，色溫是用來(lái)描述光的顏色與黑體曲線(xiàn)上的參考顏色比較后的一個(gè)性能指標(biāo)。LED生產(chǎn)商制定了一個(gè)標(biāo)稱(chēng)的色溫來(lái)表示白光LED；但實(shí)際上它很容易受正向電流、結(jié)點(diǎn)溫度和產(chǎn)品壽命的影響而改變。大部分彩色LED不含熒光粉，它們不考慮色溫，僅發(fā)出特定波長(zhǎng)的光，但是會(huì)受波長(zhǎng)偏移的影響。

　　技術(shù)背景

　　圖1給出的是在補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的直流/直流開(kāi)關(guān)式LED驅(qū)動(dòng)器，在這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里，輸入電壓Vin比輸出電壓VOUT（LED和RSNS上的電壓）更高。能量是通過(guò)受控開(kāi)關(guān)（連至圖1LM3406內(nèi)部），二極管D1和電感L1。在輸入到輸出間處理及傳遞。通常，能量傳遞發(fā)生在50KHZ到1MHZ的轉(zhuǎn)換頻率間，具體取決于實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)監(jiān)控流經(jīng)CS引腳的檢測(cè)電阻RSNS上的平均電壓值，可以控制LED電流。驅(qū)動(dòng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換的占空比會(huì)動(dòng)態(tài)變化，通過(guò)增加或者減少LED電流調(diào)節(jié)CS引腳。

　　Fig. 1.開(kāi)關(guān)式LED驅(qū)動(dòng)器

　　開(kāi)關(guān)式LED驅(qū)動(dòng)器調(diào)光控制常用的方法有兩種：脈寬調(diào)制調(diào)光（脈寬調(diào)制）和模擬調(diào)光。兩種方法均通過(guò)控制流過(guò)LED的時(shí)間平均電流實(shí)現(xiàn)，但是這兩種方法的差異眾多，除了下文要談到的功能差異，兩種方法各自的優(yōu)勢(shì)與問(wèn)題也已在Table 1.中標(biāo)出。

　　模擬調(diào)光

　　使用開(kāi)關(guān)式驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行模擬調(diào)光，是通過(guò)調(diào)節(jié)標(biāo)稱(chēng)LED電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。理論上，圖 1中用LM3406來(lái)模擬調(diào)光，只需調(diào)整RSNS即可實(shí)現(xiàn)。但在實(shí)際操作中，RSNS的值非常小（小于1Ω），這不利于電阻的功率耗散。沒(méi)有哪種標(biāo)準(zhǔn)電位計(jì)可以提供這么小的可變電阻。相反的，有種更復(fù)雜的技術(shù)通過(guò)使用一個(gè)固定檢測(cè)電阻，就可以直接控制標(biāo)稱(chēng)LED電流。如圖 1所示，可以把運(yùn)算放大器放在CS引腳和 RSNS之間，用來(lái)緩沖和放大檢測(cè)電壓。一個(gè)更高的電阻電位計(jì)可以放在從輸入到輸出的反饋回路上，以調(diào)節(jié)有效傳感電壓值，從而達(dá)到對(duì)LED模擬調(diào)光的目的。

　　Fig. 2.雙線(xiàn)脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制調(diào)光應(yīng)用

　　模擬調(diào)光的主要缺點(diǎn)是色溫較大，與平均LED電流對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)發(fā)生偏移。具體取決于實(shí)際應(yīng)用，該問(wèn)題對(duì)有的應(yīng)用而言很關(guān)鍵，另一些則不然。例如，對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的，低成本的，用熒光粉涂層覆蓋的白光LED閃光燈，色溫的偏移問(wèn)題幾乎可以忽略。相反，使用RGB（紅，綠，藍(lán)）LED的背光顯示器，在模擬調(diào)光時(shí)不允許任何的波長(zhǎng)偏移。模擬調(diào)光相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低廉，這使得它極受某些具體應(yīng)用領(lǐng)域的喜歡，當(dāng)然不是所有應(yīng)用。

　　PMW調(diào)光

　　跟模擬調(diào)光相反，脈寬調(diào)制調(diào)光不是通過(guò)對(duì)標(biāo)稱(chēng)電流的調(diào)節(jié)，而是用低于比開(kāi)關(guān)頻率的轉(zhuǎn)換控制器的開(kāi)和關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)。它產(chǎn)生了一個(gè)調(diào)制輸出電流，其平均值等于固定的LED標(biāo)稱(chēng)電流值乘以脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比。脈寬調(diào)制調(diào)光頻率范圍從100次/Hz到10次/kHz，該頻率必須比人眼感知的速度快，這樣就可以避免頻閃現(xiàn)象，一般來(lái)說(shuō)，其頻率限制在大于或等于200HZ。

　　通過(guò)脈寬調(diào)制調(diào)光，LED電流為零或在標(biāo)稱(chēng)電流級(jí)，這極大地改善了模擬調(diào)光時(shí)的色移現(xiàn)象，在需要對(duì)顏色進(jìn)行精確控制的應(yīng)用中，該技術(shù)是人們的首選。其缺點(diǎn)是在LED電流的脈寬調(diào)制過(guò)程中會(huì)增加開(kāi)關(guān)的噪音。當(dāng)然，產(chǎn)生脈寬調(diào)制輸入信號(hào)還會(huì)增加成本，產(chǎn)品設(shè)計(jì)也更為復(fù)雜。

　　Fig. 3.平行并聯(lián)FET 脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制調(diào)光應(yīng)用和產(chǎn)生的波形

　　如圖 3（a）中所示，許多LED驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)是有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的脈寬調(diào)制 調(diào)光引腳。這個(gè)DIM 引腳可以適應(yīng)很寬的脈寬調(diào)制頻率和振幅，允許有一個(gè)連接外部邏輯電路的簡(jiǎn)單接口。DIM功能關(guān)閉內(nèi)部開(kāi)關(guān)，這在保持內(nèi)部偏置電路運(yùn)行下，確保不向LED驅(qū)動(dòng)器提供輸出，避免了IC重新啟動(dòng)的延遲。延遲時(shí)間的最小化令驅(qū)動(dòng)器獲得更寬的調(diào)光范圍。在這種脈寬調(diào)制調(diào)光執(zhí)行過(guò)程中的最小可獲得的占空比受到圖3（b）中所示的電感的上升時(shí)間和衰減時(shí)間（轉(zhuǎn)換率）的限制。通過(guò)DIM 引腳進(jìn)行脈寬調(diào)制調(diào)光可以應(yīng)用在從汽車(chē)前燈到一般通用射燈等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。

　　對(duì)于如電視背光燈之類(lèi)更復(fù)雜的應(yīng)用，需要更大的調(diào)光范圍。只有使用如圖3（a）所示的并行FET調(diào)光才有可能實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)配置中，切換式LED驅(qū)動(dòng)器可持續(xù)性地調(diào)節(jié)輸出電流。脈寬調(diào)制調(diào)光信號(hào)控制LED負(fù)載的開(kāi)關(guān)閘。通過(guò)開(kāi)關(guān)的開(kāi)和關(guān)重新引導(dǎo)流經(jīng)開(kāi)關(guān)的LED電流，并在要求的占空比內(nèi)，反向流過(guò)LED。效果基本與脈寬調(diào)制調(diào)光所采用的DIM 引腳一致，在這個(gè)PMW調(diào)光里占空比控制LED平均電流。LED電流的上升和下降時(shí)間是一個(gè)令幅度變快的指令，它們并不是取決于電感的轉(zhuǎn)換率。圖3（b）所示的是如何達(dá)到一個(gè)更小的最小占空比，從而極大改善調(diào)光范圍。

　　雙線(xiàn)調(diào)光

　　雙線(xiàn)脈寬調(diào)制調(diào)光是一項(xiàng)很流行的車(chē)內(nèi)照明技術(shù)。該技術(shù)一開(kāi)始用于白熾燈負(fù)載上。通過(guò)電阻性負(fù)載降低平均電壓，可以直接調(diào)節(jié)其室內(nèi)光源，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光。因?yàn)槠?chē)行業(yè)還在應(yīng)用LED的過(guò)渡中，對(duì)某些生產(chǎn)廠商，現(xiàn)有架構(gòu)仍富有吸引力。開(kāi)關(guān)式電源設(shè)計(jì)中存在一個(gè)問(wèn)題，可以不考慮輸入狀態(tài)調(diào)節(jié)輸出。為了使用這些嵌在電源上的調(diào)光信息，解碼調(diào)光角度很有必要。

　　圖2給出的是使用開(kāi)關(guān)式LED驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行雙線(xiàn)調(diào)光的一種方法。隨著VIN上升和下降，VINS 引腳監(jiān)測(cè)到占空比，并把脈寬調(diào)制波形轉(zhuǎn)為內(nèi)部開(kāi)關(guān)調(diào)制。調(diào)光效果與通過(guò)DIM引腳的脈寬調(diào)制調(diào)光一樣，該方法的缺點(diǎn)是，當(dāng)輸入電源在每個(gè)調(diào)光周期關(guān)斷時(shí)，輸入電容CIN必須提供輸入功率。此外，高壓二極管D1必須確保VINS 引腳可以檢測(cè)到調(diào)制信號(hào)。

　　調(diào)光和效率

　　LED光效可以簡(jiǎn)單的定義為用流明表示的可視輸出功率比上用瓦表示的輸入電功率（單位是流明/W）。所有輸入LED但未能生成可見(jiàn)光的電功率都轉(zhuǎn)化成了熱或者不可見(jiàn)電磁輻射。眾所周知當(dāng)用正向電流驅(qū)動(dòng)時(shí)所有的LED光效更高（在更低的輸出功率下）。圖.7示意了LED正向電流和光通量間的常見(jiàn)關(guān)系。當(dāng)指數(shù)從理想線(xiàn)上偏斜下來(lái)，光效就將隨之降低。

　　圖7中，我們可以看到，在較低的調(diào)光級(jí)別，比起脈寬調(diào)制調(diào)光，模擬調(diào)光的LED光效更高。在更低的占空比下，我們會(huì)考慮使用脈寬調(diào)制調(diào)光，LED峰值電流比時(shí)間平均LED電流要大得多。另外一方面，模擬調(diào)光LED只適用于平均電流水平。

　　復(fù)合調(diào)光功能

　　美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM3409是一個(gè)設(shè)計(jì)獨(dú)特的降壓LED控制器，可以很容易的為模擬調(diào)光和脈寬調(diào)制調(diào)光提供支持功能。模擬調(diào)光和脈寬調(diào)制調(diào)光可以分別進(jìn)行，或者在復(fù)雜的調(diào)光模式下可以進(jìn)行一些同步的簡(jiǎn)單操作。圖4示意的是使用LM3409的一種典型的模擬調(diào)光應(yīng)用。使用該器件可以有四種方法實(shí)現(xiàn)LED調(diào)光。

　　Fig. 4.使用電位計(jì)的模擬調(diào)光

　　1. 在電源電壓 從0V到1.24V變化時(shí)，直接驅(qū)動(dòng)IADJ 引腳來(lái)模擬調(diào)光

　　2. 在IADJ 引腳 和Gnd間安裝一個(gè)電位計(jì)來(lái)模擬調(diào)光

　　3. 用EN 引腳來(lái)脈寬調(diào)制調(diào)光

　　4. 通過(guò)外分流FET來(lái)脈寬調(diào)制調(diào)光

　　LM3409是一個(gè)阻尼配件。總開(kāi)關(guān)Q1打開(kāi)，能量從輸入傳遞到輸出。當(dāng)開(kāi)關(guān)電流達(dá)到門(mén)限峰值時(shí)，Q1關(guān)閉。然后一個(gè)與輸出電壓成正比的穩(wěn)定的關(guān)閉定時(shí)開(kāi)關(guān)，將決定關(guān)斷時(shí)間。通過(guò)在0 – 248mV范圍內(nèi)，改變內(nèi)部峰值感應(yīng)閾值電流可以進(jìn)行模擬調(diào)光。如果IADJ引腳懸空，將內(nèi)部5uA電流源引腳電壓偏置至1.24V，這樣在248mV下通過(guò)檢測(cè)電阻 RSNS的LED電流就會(huì)達(dá)到峰值。。如果把一個(gè)電位計(jì)從IADJ 接地（GND），5uA電源偏置到RADJ，則產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓將改變內(nèi)部電流感應(yīng)閾值。用同樣的方法，IADJ 引腳可以只用一個(gè)從0-1.24V的直流電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)，標(biāo)定從0-248mV的電流感應(yīng)閾值。

　　圖 5是一個(gè)測(cè)量LED電流及在IADJ 引腳 到 GND間電位計(jì)電阻值的平面圖。在非常低的調(diào)光幅度下，LED電流到電位計(jì)電阻的傳遞函數(shù)幾乎是線(xiàn)性的。由于圖 4.所示的內(nèi)部2.5V鉗位電壓值，使得最大電流限定在1A以?xún)?nèi)。

　　LM3409的脈寬調(diào)制調(diào)光是跟LM3406一樣的，除了LM3406使用專(zhuān)用的DIM 引腳，而LM3409用的是EN引腳。EN引腳是邏輯輸入，這個(gè)邏輯輸入用脈寬調(diào)制輸入信號(hào)來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉主要的FET Q1。LM3409和LM3406唯一的區(qū)別是如果EN 引腳的引線(xiàn)足夠長(zhǎng)，位置較低，則LM3409將完全關(guān)閉。用LM3409也可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)分流FET調(diào)光。

　　Fig 5.電流和電位器電阻

　　Fig.7.電流和光通量