開關(guān)模式 LED 驅(qū)動器中的調(diào)光

1.前言

發(fā)光二極管 (LED) 驅(qū)動器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一是調(diào)光性能。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員使用以下兩種方法之一：模擬調(diào)光或數(shù)字脈寬調(diào)制 (PWM) 調(diào)光。有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字 PWM 調(diào)光：啟用開/關(guān)方法或并聯(lián)場效應(yīng)晶體管 (FET) 方法。在這兩種實(shí)現(xiàn)方式中，LED 將根據(jù)數(shù)字 PWM 信號的占空比打開或關(guān)閉；然而，LED 驅(qū)動器的響應(yīng)是不同的。在這篇文章中，我將回顧每種調(diào)光方法的實(shí)施和優(yōu)勢。

2.調(diào)光方案

模擬調(diào)光使用成比例的輸入電壓對 LED 輸出電流水平進(jìn)行線性調(diào)整。許多設(shè)備，如 TI 的 TPS92515 或 LM3409 LED 驅(qū)動器，都有一個專用的模擬調(diào)光引腳，用于調(diào)整內(nèi)部檢測電壓?；蛘撸瑢τ趲в形⒖刂破?(MCU) 的應(yīng)用，TPS92518 使用串行外設(shè)接口 (SPI) 通信接口對兩個內(nèi)部寄存器進(jìn)行數(shù)字編程，以模擬對兩個獨(dú)立 LED 通道進(jìn)行調(diào)光。

模擬調(diào)光的缺點(diǎn)是當(dāng)所需的輸出電流變小時，由于內(nèi)部運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓，電流輸出與輸入電壓不是線性相關(guān)的。例如，如果LED驅(qū)動器的內(nèi)部運(yùn)算放大器偏移電壓為±5mV，則當(dāng)感測電壓為200mV時，調(diào)節(jié)電流的誤差將為5mV/200mV = ±2.5%。當(dāng)檢測電壓為 20mV 時，調(diào)節(jié)電流的誤差為 5mV/20mV = 25%。

盡管可以在線性范圍之外使用模擬調(diào)光，但考慮到線性關(guān)系的簡單性，一些設(shè)計(jì)人員更愿意保持在線性范圍內(nèi)。圖 1 顯示了模擬調(diào)光線性度的示例。

圖 1：模擬調(diào)光控制示例（來自 LM3409 數(shù)據(jù)表）

數(shù)字 PWM 調(diào)光方法通?？梢詫?shí)現(xiàn)比模擬調(diào)光更寬的線性調(diào)光范圍，這有利于低亮度調(diào)光。在數(shù)字 PWM 調(diào)光啟用開/關(guān)方法中，LED 驅(qū)動器根據(jù)來自 MCU 或其他外部源的輸入 PWM 信號的占空比打開或關(guān)閉。PWM 調(diào)光的主要延遲來自于打開和關(guān)閉輸出驅(qū)動，以及隨后的電感電流斜坡上升和下降。如果 LED 驅(qū)動器的閉環(huán)帶寬較低，則對 PWM 信號的響應(yīng)本質(zhì)上很慢，并且不容易實(shí)現(xiàn)低亮度。

假設(shè) LED 驅(qū)動器以 1MHz 開關(guān)頻率運(yùn)行，其帶寬已調(diào)整，以便輸出電流在五個周期內(nèi)穩(wěn)定下來。在這種情況下，5μs 將是 LED 驅(qū)動器提供穩(wěn)定光輸出的最短開啟時間。如果輸入 PWM 調(diào)光信號為 200Hz，則周期為 5ms。為了保持最少 5μs 的開啟時間，調(diào)光比將為 5ms 至 5μs，或 1,000 比 1。換句話說，在 1MHz 開關(guān)頻率下運(yùn)行的 200Hz PWM 調(diào)光頻率下，最小 PWM 調(diào)光占空比將為 0.1%。圖 2 顯示了典型啟用開/關(guān)方法 PWM 調(diào)光方案中 LED 電流的延遲。

圖 2：啟用開/關(guān)方法的數(shù)字 PWM 調(diào)光

為了進(jìn)一步提高調(diào)光性能，我們可以優(yōu)化環(huán)路帶寬以縮短建立時間，或者將 LED 驅(qū)動器設(shè)置為以更高的開關(guān)頻率運(yùn)行。TPS92518 有兩個獨(dú)立的 PWM 輸入引腳來控制兩個 LED 通道的亮度。

分流 FET PWM 調(diào)光是一種讓 LED 驅(qū)動器開啟的替代方法。數(shù)字 PWM 信號控制并聯(lián)連接到 LED 負(fù)載的分流 FET，以根據(jù) PWM 信號的占空比的倒數(shù)重新引導(dǎo)從 LED 流出的輸出電流通過并進(jìn)入分流 FET。最好不要將這種方法用于需要巨大輸出電容器的 LED 驅(qū)動器，因?yàn)檩敵鲭娙萜鞔鎯Φ哪芰靠赡軙敫唠娏鬟^沖，從而損壞分流 FET 或 LED 負(fù)載。

這使得具有滯后控制架構(gòu)的 LED 驅(qū)動器（例如 TPS92518）非常適合并聯(lián) FET 調(diào)光。遲滯型 LED 驅(qū)動器是開環(huán)的，因此沒有閉環(huán)開關(guān)型 LED 驅(qū)動器的環(huán)路帶寬限制。分流 FET 調(diào)光的好處是，電感器電流帶控制良好，LED 開啟或關(guān)閉時間極快（在納秒內(nèi)），從而通過低占空比 PWM 信號實(shí)現(xiàn)低亮度。圖 3 顯示了在并聯(lián) FET PWM 調(diào)光情況下 LED 電流的延遲非常小。

圖 3：分流 FET PWM 調(diào)光

越來越多的應(yīng)用需要 MCU 與 LED 驅(qū)動器進(jìn)行通信以控制亮度。TPS92518 具有 SPI 控制接口，可通過 8 位數(shù)字字節(jié)設(shè)置 LED 電流電平，使我們能夠即時調(diào)整 LED 電流。SPI 控制接口以數(shù)字方式設(shè)置標(biāo)稱運(yùn)行關(guān)斷時間，而不是在關(guān)斷時間控制引腳上使用電阻電容電路。TPS92518 具有另一個通過 SPI 編程的寄存器，用于設(shè)置最大關(guān)斷時間，以在分流 FET PWM 調(diào)光期間實(shí)現(xiàn)良好控制的電感器電流帶。

TPS92518 具有一個內(nèi)部 ADC，可將兩個通道的輸出電壓和估計(jì)的芯片溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼。該信息存儲在 TPS92518 的寄存器中，可通過 SPI 接口回讀。TPS92518 的架構(gòu)允許啟用開/關(guān) PWM 調(diào)光或分流 FET PWM 調(diào)光。

我們必須在模擬調(diào)光和 PWM 調(diào)光之間進(jìn)行選擇，以根據(jù)我們的設(shè)計(jì)要求控制 LED 亮度。模擬調(diào)光方式不需要數(shù)字信號輸入；但是，這種方法不容易實(shí)現(xiàn)深度調(diào)光。PWM 調(diào)光方法的兩種實(shí)現(xiàn)方式都可以實(shí)現(xiàn)更高的調(diào)光比，但需要付出更多努力才能正確設(shè)計(jì)。