LED照明亮度控制新技術(shù)特征與應用

1、前言

　　如今電源管理技術(shù)的發(fā)展趨勢是，以太網(wǎng)供電技術(shù)巨大市場近在咫尺，電源IC應身兼多職，電源轉(zhuǎn)換IC集成LDO和DC/DC轉(zhuǎn)換器，LED/LCD/OLED驅(qū)動器以及其他的功率半導體器件和電源模塊。而本文僅對LED/LCD/OLED驅(qū)動器中的調(diào)光控制技術(shù)作研討。這是因為LED推動了照明革命。LCD背光仍是主要LED應用，其LED已經(jīng)被用于各種室內(nèi)及室外裝飾照明應用，而且開始著眼于手電、花園燈和街燈等通用照明應用。這些用途為LED照明正在家庭與企業(yè)照明領(lǐng)域開辟市場。LED通用照明的未來是發(fā)光效率超過100 lm/W的高通量LED的開發(fā)，使得LED不需要逆變器就能利用交流電工作，從而推動LED更加接近主流的通用照明市場。因而背光照明的亮度控制是LED照明革命中的重要技術(shù)，于是便有下文所述的LED照明亮度控制的新技術(shù)特征與應用的分析介紹。

　　2、背光照明亮度控制的拓撲

　　背光照明亮度控制的拓撲即調(diào)光方法，包括使用低頻和高頻信號進行脈寬調(diào)制(PWM)、直流電壓控制及電阻調(diào)光等調(diào)光技術(shù)，以下僅介紹直流電壓控制及PWM調(diào)制技術(shù)。

　　2.1直流電壓調(diào)光

　　圖1是以ZETEX的ZXLD1350驅(qū)動器為例的典型直流電壓調(diào)光示意圖。

　　ZXLD1350驅(qū)動器是連續(xù)電感式降壓轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置多開關(guān)而輸出電流達350mA，輸入電壓范圍在7V至30V之間。其特點是ZXLDl350配備多功能的調(diào)節(jié)腳，可通過控制LED的電流，以多種方式調(diào)節(jié)LED的亮度。

　　圖1  直流電壓調(diào)光示意圖

　　TLV431作為分路調(diào)節(jié)器，以產(chǎn)生外置的1.25V電壓基準。此電壓基準被運用至VRl電位以提供0V-1.25V的調(diào)光電壓。使用外置的調(diào)節(jié)器，將影響電流設定的準確性。相對于內(nèi)置電壓基準，使用1%電壓基準，使LED電流更加準確。

　　調(diào)節(jié)針可通過外置的直流電壓(VADJ)進行過驅(qū)動，以獲得超過內(nèi)置的電壓基準，并調(diào)整輸出電流使其超出或低于額定值。此時的額定輸出電流為：

　請注意，100%的亮度設定與VADJ=VREF相對應。如果VIN達到最大值2.5V，則RSENSE應增加2倍。這將使功率小幅降低1%到2%。調(diào)節(jié)針的輸入阻抗為200kV+20%。如果直流電壓的輸出阻抗相對較高，可能有所影響。[!--empirenews.page--]

　　2.2新的調(diào)光技術(shù)--PWM調(diào)制技術(shù)的應用

　　LED發(fā)出光的波長與器件內(nèi)被驅(qū)動的正向電流關(guān)系密切。為了防止色調(diào)變化，須精心選擇調(diào)光方法。以往最常用的調(diào)光方法是改變器件上的正向電流或電壓。不幸的是電流或電壓的變化都會改變光的波長，這種效應與波長成正比，較長的波長經(jīng)受的色調(diào)對電流的變化最強。在很多應用中，這種結(jié)果是不能接受的，如果采用PWM調(diào)制技術(shù)，就可以給LED正確調(diào)光，不會引起波長變化。LED的通斷操作是通過改變占空比實現(xiàn)的，這時正向電流(1F)是恒定電流。

　　2.2.1低頻高頻調(diào)光應用

　?、诺皖l調(diào)光。由于LED具備穩(wěn)定的瞬時驅(qū)動電流，因而適合采用低頻凋光。LED的色溫在所有亮度下保持不變。低頻調(diào)光的另一個優(yōu)點是可將亮度降至1%。因此調(diào)光范圍為100：1。而頻率選擇是為避免可見閃爍， PWM信號必須大于100Hz。如果所選的頻率過高，內(nèi)置低通濾波器將開始合并PWM信號，并產(chǎn)生非線性反應。同時調(diào)節(jié)針的軟啟動功能將導致PWM信號的上升或下降發(fā)生延遲。這將使LED電流具有非線性特性，在頻率增加時影響更為顯著。

　　常見的低頻和高頻信號進行脈寬調(diào)制示意圖如圖2所示。該圖是以ZETEX的ZXLD1350驅(qū)動器為例的脈寬調(diào)制示意圖。

　　圖2 以ZXLD1350驅(qū)動器為例的脈寬調(diào)制示意圖

　　建議低頻的上限為lkHz。電感器可能聽得見的噪音的影響也需要加以考慮。某些線圈松動的電感器可能出現(xiàn)此類情況，PWM頻率為lkHz時將比100Hz更加明顯。

　?、聘哳l調(diào)光

　　如果系統(tǒng)要求低輻射和輸入/輸出諧波，則適合采用高頻調(diào)光。但調(diào)光范圍將降至5:l。ZXLDl350具備整合高頻PWM信號的內(nèi)置低通濾波器，可進行直流調(diào)光控制。如果PWM頻率高于10kHz左右，且占空比大于指定的最小值，裝置將保持工作狀態(tài)，輸出也將持續(xù)不變。

　　⑶輸入緩沖晶體管

　　進行PWM調(diào)光時，輸入雙極晶體管Q宜使用集電極開路輸出(如圖2所示)。以確保達到200mV的輸入關(guān)閉閾值。不使用緩沖晶體管也可直接進行PWM控制，但必須格外謹慎。該操作將使內(nèi)置的1.25V電壓基準負荷過重。如果100%PWM(直流)使用2.5V輸入電壓，進入LED的輸出電流將達到正常電流的2倍。并可能損壞ZXLDl350。使用5V邏輯信號進行過驅(qū)動將極有可能在超出調(diào)節(jié)針額定電壓時損壞裝置。

　　⑷軟啟動及去耦電容器

　　調(diào)節(jié)針上的任何附加電容器都將影響PWM信號上升和下降。由于上升時間將增加大約0.5ms/nF，因此需對此加以考慮。將其與100Hz PWM進行對比，50%占空比時開啟時間Ton，及關(guān)閉時間Toff為5ms，1%占空比時開啟時間Ton為0.1ms。調(diào)節(jié)針上的lnF將導致0.5ms的上升時間，這將造成以低占空比進行調(diào)光時出錯和受到限制。

　　2.2.2利用線性以及PWM輸入信號準確控制亮度

　　該方案是采用高度整合的技術(shù)。其特點是效率較高而且功耗較低，所需的外置組件也最少并可準確控制溫度/亮度。而新型LM3402/02HV開關(guān)穩(wěn)壓器可以能滿足這方面技術(shù)的需要，圖3所示為LM3402/02HV開關(guān)穩(wěn)壓器的應用示意圖。

　　圖3中的LM3402/02HV開關(guān)穩(wěn)壓器設有專用的亮度控制(DIM)接腳，可以利用線性以及PWM輸入信號準確控制亮度。利用發(fā)光二極管發(fā)光的照明系統(tǒng)普遍采用PWM的光暗控制方式控制燈光亮度，這個亮度控制方法已成為業(yè)界普遍采用的標準。只要調(diào)節(jié)正向發(fā)光二極管的電流，發(fā)光二極管的光線輸出量便會按照線性方式增減，但大部分光線的波段會出現(xiàn)偏移現(xiàn)象。部分應用對顏色的要求并不十分嚴格，因此仍會采用線性的亮度控制方式，但汽車燈如煞車燈、液晶顯示器背光以及直接顯示的RGB發(fā)光二極管對亮度及色彩都有極嚴格的要求，因此這類應用一般都會采用PWM方式控制亮度。

　　圖3 LM3402/02HV開關(guān)穩(wěn)壓器的應用示意圖

　　LM3402/02HV開關(guān)穩(wěn)壓器特征如下：輸入電壓范圍 6V～75V，采用降壓穩(wěn)壓器的線路布局；可為發(fā)光二極管提供恒定的驅(qū)動電流，回授電壓為200mV；當RON接腳處于低電位時，停機電流便會進一步降低；準確的PWM亮度控制；開關(guān)頻率高達1MHz；設有磁滯功能，而且導通時間固定。因此，可以在整個輸入電壓范圍內(nèi)進行開關(guān)頻率(FSW)控制。[!--empirenews.page--]

　　2.2.3一個PWM控制的串聯(lián)開關(guān)的應用

　　當PWM頻率高于100Hz時，人眼是無法察覺單個脈沖的，但是，整合這些脈沖把它們理解為亮度，通過線性改變占空比，就可以線性改變亮度，而不會有任何波長變化。如圖4所示，調(diào)節(jié)LED亮度最常用的方法是一個PWM控制的串聯(lián)開關(guān)。因為正向工作電流相對較高，所以選擇開關(guān)時必須小心，確保開關(guān)能夠處理傳導損耗。

　　圖4 引用ST公司新型技術(shù)的PWM調(diào)光技術(shù)框圖

　　為了克服這個問題，這個方案取消了串聯(lián)開關(guān)，而且還提高了能效。圖4所示為新的調(diào)光技術(shù)的框圖，引用了ST公司的新型技術(shù)。這項新技術(shù)存在于兩個控制回路內(nèi)：一個電流回路和—個電壓回路(圖4所示)。當需要最大的亮度時，電流同路以穩(wěn)定的正向電流驅(qū)動LED；在調(diào)光操作期間，電流控制回路將會限制最大輸出電流，同時電壓回路將維持輸出電壓低于LED陣列閾值電壓之和。當斷開LED時，電壓回路將控制最大輸出電壓。該新的調(diào)光技術(shù)的框圖因為不再使用電源開關(guān)，就可以得到一個更加低廉的高效解決方案。

　　3、增添智能性亮度控制技術(shù)的應用

　　LED照明應用可以得益于MCU的智能性。MCU可以用于多種任務，包括用戶接口、通信、電池狀態(tài)監(jiān)控和溫度測量。在設計中添加MCU并不意味著加大了復雜性、占用空間或更昂貴。如Microchip提供了PIC10F系列MCU，這些器件采用6引腳SOT-23封裝形式。器件內(nèi)部還有振蕩器和復位電路。連接電源并接地，得到4個I/0引腳，這些引腳可以編程設定為執(zhí)行任何所需的任務。FPIC10F引腳可以用作模擬或數(shù)字引腳。FPIC10F系列中有兩個器件型號含有模擬比較器模塊。有兩個FPIC10FP器件型號含有8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。只需要學習33條匯編指令就可以為PICIOF編寫代碼。

　　MCU在LED照明中的一種應用是進行亮度控制。功率型LED可以通過降低驅(qū)動電流進行調(diào)光。但是，這不是控制LED亮度的最有效方式。在最高額定驅(qū)動電流下，功率型LED達到最佳效率。通過使用低頻PWM信號來開關(guān)LED可以達到更好的效率。PWM信號連接到SMPS控制IC的使能輸入。在打開時，LED始終以最高電流驅(qū)動。

　　PICl0F206器件為SMPS IC提供了用戶按鈕接口，并產(chǎn)生PWM控制信號。PIC10F206具有內(nèi)部振蕩器和復位電路，不需要任何外部電路。在這些應用中，PIC10F206器件還可以用于線性化亮度控制或監(jiān)控電池狀態(tài)。

　　3.1新的解決方案中PWM控制信號如何產(chǎn)生

　　有多種方法可以產(chǎn)生PWM控制信號來控制供電電路。帶有捕捉—比較-PWM(*)模塊的器件可以利用片上數(shù)字時基來產(chǎn)生PWM信號，以控制供電電路，從圖5所示的使用PIC12HV615比較器的降壓LED驅(qū)動器輸出到Q1的信號可以看出。

　　圖5 使用PIC12HV615比較器的降壓LED驅(qū)動器

　　信號脈沖寬度由MCU時鐘和占空比寄存器控制；增強型*(E*)模塊使一個PWM信號可以控制2或4個輸出引腳，分別進行半橋或H橋控制；具有比較器和E*模塊的器件可以使用比較器信號來控制PWM信號的關(guān)閉時間；具有比較器和PWM SR鎖存器的器件可以使用比較器信號和/或時鐘脈沖來開關(guān)鎖存器輸出；可以使用外部PWM外設IC。在需要多個高速PWM通道時，這一方法很有用，PWM信號可以使用軟件和I/0引腳產(chǎn)生。PWM頻率和占空比分辨率要求不是太高的話，這一方法的成本較低；帶有片上比較器的PIC單片機(如PICl2F609)可以用于實現(xiàn)簡單的LED驅(qū)動器。PICl2HV609添加了一個內(nèi)部穩(wěn)壓器，可以在高于5V的直流總線下工作。[!--empirenews.page--]

　　3.2 PWM控制信號產(chǎn)生例舉--MCPl630高速PWM控制器

　　MCPl630提供了另一種可用于為大功率LED驅(qū)動器產(chǎn)生高速PWM信號的方法（見圖6所示）。

　　圖6  由MCPl630提供的大功率LED驅(qū)動器

　　MCPl630是8引腳器件，包含產(chǎn)生模擬PWM控制環(huán)路所需的元件，包括：誤差放大器、比較器和驅(qū)動功率晶體管的高電流輸出引腳。MCPl630旨在用于與提供參考時鐘源的MCU配合使用。PICHV615MCU控制PWM頻率和最大占空比。根據(jù)應用需求，開關(guān)頻率最高可達1MHz。在需要調(diào)光或軟啟動功能時，MCU還可以控制誤差放大器的參考輸入。多個MCPl630器件可以連接到一個MCU來支持多個供電通道。

　　MCPl630可以用于解決高級的供電難題。在使用多個MCPl630器件時，可以對每個時鐘輸入應用相位偏移來降低總線電流脈動。對于對EMI敏感的應用，可以對時鐘信號應用抖動來降低給定頻率的輻射能量。

　　4、關(guān)于加強背光照明亮度控制技術(shù)的應用

　　背光照明LED的亮度控制可經(jīng)由 PWM或恒流控制來實現(xiàn)。PWM亮度控制需動用一個恒流驅(qū)動器來驅(qū)動LED，但需要調(diào)節(jié)開/關(guān)時間才能達到所需的光度。因此，PWM比直接的恒流控制更加復雜。于是又呈現(xiàn)新的解決方案。為此，以RGB LED背光照明為例加以說明。

　　LCD顯示屏中的圖素會劃分為三個主色區(qū)格：紅、綠和藍。圖素色彩是由這三種主色混合來定義。使用RGB背光，當LED溫度改變時，驅(qū)動器必須更正紅、綠和藍三個主色間的亮度平衡，以防出現(xiàn)白點位移。此外，驅(qū)動器還需保證在任何操作溫度下維持光的正確強度，而在補償方面，可以用閉環(huán)或開環(huán)形式。使用閉環(huán)補償?shù)脑?，需采用感光器來測量白點和其強度。相反地，如使用開環(huán)補償，溫度便需事先測量出來，并通過預先定義好的補償曲線來調(diào)節(jié)亮度的平衡。以如LP5520是RGB背光照明驅(qū)動器的一個例子，是一個開環(huán)補償式LED驅(qū)動器。圖7表示開環(huán)顏色補償?shù)脑怼?/p>

　　圖7  開環(huán)顏色補償?shù)脑?/p>

　　其中溫度補償曲線是用現(xiàn)實應用中的RGB LED來量度，這些曲線被編程在芯片內(nèi)部的EEPROM存儲器中。該芯片被集成到LCD顯示模塊上，而模塊的制造商會在生產(chǎn)時為補償曲線編程。此外，RGB LED背光亦可用作優(yōu)化顏色過濾器。

　　5、結(jié)論

　　上述高效的LED亮度控制技術(shù)有幾個不同拓樸方法，概括為二類：其一是獨立使用一個模擬驅(qū)動器IC，或者將其與一個MCU(用以增添智能性)配合使用；其二是將LED驅(qū)動功能集成到MCU應用中。拓樸的選擇要視應用而定，而即將出現(xiàn)的集成多任務混合信號解決方案必會為LED亮度控制技術(shù)帶來新的挑戰(zhàn)。