LED調(diào)光方法與改善

目前，就LED光源來(lái)講，其調(diào)光的方法也要比一般白熾燈、高壓鈉燈及其它以節(jié)能減排為目的的電燈更易進(jìn)行操作。下面的文章將就LED燈的調(diào)光方法及改善進(jìn)行論述。

0 引言

在設(shè)計(jì)的初級(jí)階段，單純地控制LED光源必須格外小心。我們通常采取的方式是使用脈寬調(diào)變的方式對(duì)復(fù)雜的光源進(jìn)行調(diào)控。這就需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的人員對(duì)LED進(jìn)行驅(qū)動(dòng)方面的拓?fù)洹?/p>

降壓變換器在對(duì)脈寬調(diào)變的過(guò)程中，優(yōu)勢(shì)非常明顯。如果要求很高的調(diào)光頻率和信號(hào)轉(zhuǎn)換的頻率，或是上述兩種情況都需要的話，那么降壓變換器就是最好的選擇。

一、降壓變換器的調(diào)光原理

控制LED進(jìn)行調(diào)光從傳統(tǒng)意義上來(lái)說(shuō)，LED的調(diào)光過(guò)程是利用一個(gè)直流信號(hào)或者脈寬調(diào)變的方式來(lái)調(diào)節(jié)LED中的正向電流從而實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的調(diào)光。要想調(diào)節(jié)LED光亮輸出的強(qiáng)度，減小通過(guò)LED的電流是其中一種方式。但是，LED的彩色也會(huì)隨著正向電流的改變而改變。這是因?yàn)殡S著電流的變化，LED的色度會(huì)發(fā)生改變。

很多相關(guān)方面的應(yīng)用(比如液晶顯示器的背光照明)都不允許色彩上的漂移導(dǎo)致色彩失真。

不同的光線變化作用于周圍的環(huán)境中，并且人的眼睛對(duì)發(fā)光強(qiáng)度帶來(lái)的微小變化都相當(dāng)敏感，所以拓寬調(diào)光的范圍是很有必要的。對(duì)于控制LED亮度的方法，可以對(duì)其施加一個(gè)脈寬調(diào)變信號(hào)、在不改變LED的彩色的情況下完成對(duì)LED的調(diào)光。

二、調(diào)控方法比較與改善

調(diào)控LED燈最為簡(jiǎn)單的方法就是：在LED的驅(qū)動(dòng)控制中，通過(guò)在外部設(shè)置電阻來(lái)對(duì)LED燈進(jìn)行調(diào)光上的控制。這種調(diào)光方法雖然有效，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)很靈活的調(diào)控，無(wú)法起到為用戶改變光亮強(qiáng)度的作用。而線性調(diào)節(jié)的效率顯得非常低下，甚至引起LED白光偏向黃色光譜，造成色彩上的偏轉(zhuǎn)和移動(dòng)，可能偏轉(zhuǎn)和移動(dòng)是微小的，但是仍然能夠被敏感地檢查出來(lái)。

采用脈寬調(diào)變對(duì)LED進(jìn)行調(diào)控的方法，其開關(guān)進(jìn)行工作的頻率通常大于100赫茲。LED驅(qū)動(dòng)電流里的脈沖占空因素，可以用脈寬調(diào)制進(jìn)行改變，從而達(dá)到調(diào)節(jié)LED光亮的目的。這里不得不提的是：選用大于100赫茲的開關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)工作頻率，其主要的目的是避免人看到閃光的出現(xiàn)。用脈寬調(diào)變對(duì)LED進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，就使得LED的發(fā)光亮度和脈寬調(diào)變的脈沖占空因素成正比例。用這樣的方式調(diào)節(jié)LED的光亮，可以在保持LED的發(fā)光顏色不變的情況下使LED保持高度的調(diào)光比，其范圍可以達(dá)到三千比一。

線性的調(diào)制方法是一種模擬調(diào)光。在它的控制下，對(duì)LED的正方向工作電流進(jìn)行調(diào)節(jié)以此來(lái)控制和調(diào)節(jié)LED,其控制范圍可以達(dá)到十比一。

脈寬調(diào)變來(lái)自于“Pulse Width Modulation”

的意譯，我們可以把它簡(jiǎn)單地稱為脈寬方面的調(diào)制。是運(yùn)用數(shù)字輸出的微處理化并控制模擬電路的一種卓有成效的技術(shù)，目前，在測(cè)繪丈量、移動(dòng)通信、對(duì)功率進(jìn)行控制和變換等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

用脈寬調(diào)變來(lái)設(shè)置周期和占空因素(見(jiàn)圖一)，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的調(diào)控方法最簡(jiǎn)單的途徑。而且降壓變換器拓?fù)湟部梢詫?shí)現(xiàn)最完美的性能。

絕大多數(shù)的LED都有藍(lán)光譜的光子發(fā)射區(qū)域?？梢?jiàn)的寬幅光通過(guò)一個(gè)磷面散發(fā)出來(lái)，磷光在較低電流通過(guò)的時(shí)候占據(jù)主導(dǎo)地位，而使光的顏色接近黃色;LED光在較高電流通過(guò)的時(shí)候占據(jù)主導(dǎo)地位，使光的顏色接近于藍(lán)色，達(dá)到一個(gè)高顏色溫度。當(dāng)白光LED的數(shù)量超過(guò)一個(gè)的時(shí)候，位于鄰近位置的顏色溫度會(huì)發(fā)生不同的變化。在光源的應(yīng)用里面，多個(gè)單色的LED互相混合使用也會(huì)產(chǎn)生同樣的問(wèn)題。當(dāng)光源不止一個(gè)的時(shí)候，呈現(xiàn)在LED中的差異將被發(fā)覺(jué)。

調(diào)節(jié)LED的光亮最主要的方法是采用boost和buck-boost快速PWM調(diào)光：

PMW調(diào)光不適合boost調(diào)節(jié)器和任何Buck-Boost拓補(bǔ)。因?yàn)樵诔掷m(xù)傳導(dǎo)模式中，每個(gè)調(diào)節(jié)器都展示了一個(gè)右半平面零。這就很難達(dá)到時(shí)鐘調(diào)節(jié)器所需要的高控制環(huán)帶寬。由于右面平面零使用滯后控制，很難在Boost或者Buck-Boost中實(shí)現(xiàn)。此外，Boost調(diào)節(jié)器不允許出現(xiàn)輸出電壓低于輸入電壓。對(duì)于此條件的實(shí)現(xiàn)，需一輸出端口短電路予以支持，且還需要運(yùn)用一并聯(lián)，利用FET進(jìn)行在實(shí)現(xiàn)調(diào)光有些不太現(xiàn)實(shí)。這個(gè)條件需要一個(gè)輸入端短電路并且使利用一個(gè)并聯(lián)FET,在Buck-Boost拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)調(diào)光存在著一定的困難性，因?yàn)槠鋵?shí)現(xiàn)需要一個(gè)輸出電容或輸出短電路中未受控制的輸入電感電流。從現(xiàn)實(shí)層面來(lái)講真正需要快速PWM調(diào)光的時(shí)候，最好的解決方案是構(gòu)建一二級(jí)系統(tǒng)，利用一個(gè)Buck調(diào)節(jié)器來(lái)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，最好的方式就是設(shè)置一個(gè)串聯(lián)開關(guān)(如圖二所示)。

通過(guò)圖二可以發(fā)現(xiàn)，LED電流可以被即時(shí)切斷。此外在運(yùn)行中還應(yīng)這種考慮到系統(tǒng)的回應(yīng)，以此來(lái)講此開路即成為了一快速的外部退荷狀態(tài)其有效的就反饋環(huán)進(jìn)行了斷開，促使了調(diào)節(jié)器輸出電壓區(qū)域上升態(tài)勢(shì)。同時(shí)為避免因過(guò)壓導(dǎo)致失敗，需要進(jìn)行設(shè)置輸出鉗制電路和/或誤差放大器。而鉗制電路很難利用外部電路實(shí)現(xiàn)，因此，串聯(lián)FET調(diào)光只能采取以專用的Boost/Buck-Boost LED驅(qū)動(dòng)IC來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)現(xiàn)實(shí)對(duì)比，在實(shí)現(xiàn)同等照度的情況下，筆者預(yù)估PWM會(huì)具有一定優(yōu)勢(shì)。對(duì)于LED光源的單純控制，需要自設(shè)計(jì)初期即小心認(rèn)真對(duì)待。光源如果越是復(fù)雜，那么便越需要利用PWM調(diào)光，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)者需要謹(jǐn)慎思考LED驅(qū)動(dòng)拓?fù)?。另外Buck調(diào)節(jié)器為PWM調(diào)光方面提供了很多優(yōu)勢(shì)。如果調(diào)光頻率必須很高或者信號(hào)轉(zhuǎn)換率必須很快的話，那么Buck調(diào)節(jié)器無(wú)疑就是最好的選擇。

同時(shí)為避免調(diào)光信號(hào)出現(xiàn)閃爍或抖動(dòng)，PWM調(diào)光頻率必須大于100赫茲，為了進(jìn)一步的降低噪聲和輻射，高端照明系統(tǒng)通常會(huì)要求調(diào)光頻率達(dá)到幾萬(wàn)赫茲。但是此動(dòng)作即會(huì)產(chǎn)生不良影響，驅(qū)動(dòng)調(diào)光的范圍將大幅縮小，從而降低系統(tǒng)的最大亮度。

tSU和tSD指電感器電流上升至所需LED電流，并將電流下降到零電流所需的時(shí)間，這與LED的驅(qū)動(dòng)器的傳動(dòng)特性有很大的關(guān)系。要想在低調(diào)光頻率下提供較大的調(diào)光范圍，就應(yīng)該使用調(diào)光方案。但是，調(diào)光延遲度如果比較大的話，增加調(diào)光頻率回使調(diào)光范圍明顯降低。

因?yàn)轵?qū)動(dòng)器控制環(huán)路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)是有限制的，所以采用固定頻率的LED驅(qū)動(dòng)器的并行調(diào)光的范圍不會(huì)顯著增加。

PWM調(diào)光又分為降壓和升壓兩種方式，降壓方式又包含恒頻、滯回、恒關(guān)斷，Sub-Harmonics Osccillation(次諧波震蕩)一般發(fā)生在降壓式架構(gòu)(Buck)在占空比超過(guò)50%的時(shí)候，原因是TOFF時(shí)間變短，造成芯片內(nèi)部沒(méi)有足夠時(shí)間反應(yīng)，造成震蕩。SQ9910針對(duì)這個(gè)問(wèn)題在內(nèi)部提供特殊設(shè)計(jì)，是目前世面上同等級(jí)的芯片唯一能夠解決這個(gè)問(wèn)題的方案。有了這個(gè)解決方案，客戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就可以比較有彈性。輸入電壓30伏的時(shí)候輸出電壓范圍可以從6V到23.6V,占空比高達(dá)91.4%,輸出可以串接23.6/3.3=7顆。同樣的，在輸入越高的時(shí)候可以串接的數(shù)目也可以同比增加。

三、結(jié)束語(yǔ)

LED有兩種調(diào)控光亮的途徑：即調(diào)光的模擬化和數(shù)字化。調(diào)光的模擬化是通過(guò)改變LED中的電流回路以達(dá)到目的。調(diào)光數(shù)字化又稱為脈寬調(diào)變，在科學(xué)技術(shù)日新月異的未來(lái)，數(shù)字化的調(diào)光方式將受到人們?cè)絹?lái)越多的青睞，它能夠更加細(xì)致地改變LED中的電流結(jié)構(gòu)?？萍几淖兩?，如果現(xiàn)在運(yùn)用成熟的技術(shù)將推動(dòng)電子電力領(lǐng)域向前發(fā)展。