基本LED理論及調(diào)光控制技術(shù)

在科技高度發(fā)展的今天，電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來(lái)越快，LED燈的技術(shù)也在不斷發(fā)展，為我們的城市裝飾得五顏六色。在LED照明設(shè)備數(shù)量增長(zhǎng)的趨勢(shì)下，提供給LED受控電源的集成電路裝置不斷推陳出新。如何節(jié)省能源是目前全球的重要議題，而耗電的線性電流源早已不符合這項(xiàng)要求，因此切換式LED驅(qū)動(dòng)器取而代之成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。

從手電筒到體育館計(jì)分板等各式應(yīng)用都要求可準(zhǔn)確控制調(diào)節(jié)電流。在許多實(shí)例中我們發(fā)現(xiàn)還需要可實(shí)時(shí)變更LED輸出強(qiáng)度的機(jī)制。此功能就是所謂的“調(diào)光控制”。本文在于說(shuō)明基本LED理論以及數(shù)種用于切換式LED驅(qū)動(dòng)器的調(diào)光控制技術(shù)。

LED亮度與色溫

LED亮度

測(cè)量LED可見(jiàn)光亮度的單位為光通量“強(qiáng)度”，燭光(cd)。測(cè)量LED總電源輸出的單位則為流明(lm)量。此外我們也必須了解平均正向LED電流會(huì)決定LED的亮度。

LED色溫

色溫是一種度量方法，說(shuō)明LED射出的光色彩，并且可在LED數(shù)據(jù)表上數(shù)量化這些信息。特定LED的色溫將被指定于某范圍內(nèi)，而且會(huì)根據(jù)正向電流、接面溫度以及使用時(shí)間的不同而有所變化。低色溫的光線偏紅黃(暖色溫)，而較高數(shù)值的色溫則偏藍(lán)綠(冷色溫)。許多有顏色的LED會(huì)指定主波長(zhǎng)而取代指定色溫，而且提供波長(zhǎng)的位移量。

LED調(diào)光方式

用來(lái)調(diào)節(jié)LED亮度的切換式驅(qū)動(dòng)器電路有兩種最常見(jiàn)的方式有兩種：脈沖寬度調(diào)變調(diào)光(PWMDimming)與模擬調(diào)光(AnalogDimming)。這兩種方式都是透過(guò)LED或LED燈串來(lái)控制平均電流，但是仔細(xì)比較這兩種調(diào)光技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)其中的明顯差異。Vin必須要高于LED+RSNS的總電壓。電感器電流為L(zhǎng)ED電流。藉由監(jiān)測(cè)CS接腳的電壓就可調(diào)節(jié)電流。CS開(kāi)始降低至設(shè)定電壓之下時(shí)，通過(guò)L1的電流脈沖工作周期(造成LED與RSNS增加)會(huì)增加平均LED電流。為控制器的CS電壓選擇正確的RSNS就可設(shè)定LED電流。

模擬調(diào)光

LED模擬調(diào)光意指調(diào)整每一周期LED電流。簡(jiǎn)單的說(shuō)，這是一種調(diào)整“恒定”LED電流層級(jí)的方式。只要調(diào)整電流感應(yīng)電阻RSNS，或是在IC的部份DIM功能接腳上驅(qū)動(dòng)模擬電壓，就可完成模擬調(diào)光。圖1說(shuō)明兩種可能的模擬調(diào)光方式。

調(diào)整RSNS進(jìn)行模擬調(diào)光

RSNS的數(shù)值變更時(shí)，固定CS參考電壓就會(huì)產(chǎn)生LED電流的改變。如果可以找到處理高LED電流的電位計(jì)，而且還有sub-1奧姆數(shù)值，就可使用此方法調(diào)整LED光線。

在CS接腳上驅(qū)動(dòng)DC電壓進(jìn)行模擬調(diào)光

另一個(gè)較復(fù)雜的調(diào)光技術(shù)則是藉由驅(qū)動(dòng)電壓至CS接腳內(nèi)，直接控制LED的每一周期電流。電壓源通常會(huì)插入取樣LED電流的回饋回路，并由放大器緩沖。放大器的增益可控制LED電流。有了這種回饋電路后，就可以執(zhí)行電流與熱保護(hù)機(jī)制等功能，進(jìn)而保護(hù)LED。模擬調(diào)光的缺點(diǎn)是射出光的色溫可能會(huì)因?yàn)長(zhǎng)ED電流而有所變化。在LED色溫達(dá)到臨界的情形下，或是特定LED因?yàn)長(zhǎng)ED電流變化而顯示色溫有很大的變化時(shí)，無(wú)法改變LED電流來(lái)調(diào)整LED輸出。

PWM調(diào)光

PWM調(diào)光方式為L(zhǎng)ED電流在短時(shí)間內(nèi)的實(shí)際啟動(dòng)與重新啟動(dòng)動(dòng)作。啟動(dòng)–重新啟動(dòng)周期的頻率必須快于人類肉眼所能看到的速度，避免造成燈光閃爍，一般而言，200Hz或更快的頻率是可被接受的頻率。

這種LED調(diào)光對(duì)調(diào)光波長(zhǎng)的工作周期為比例性的調(diào)整，是由以下的方程式?jīng)Q定：

IDIM-LED=DDIMXILED

其中，IDIM-LED為平均LED電流，DDIM為調(diào)光波長(zhǎng)的工作周期，而ILED為額定LED電流設(shè)定搭配RSNS選擇。

調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)器

現(xiàn)在有許多LED驅(qū)動(dòng)器擁有特殊的PWMDIM接腳，可接受較寬廣范圍的PWM頻率與振幅，從而簡(jiǎn)易的與外部邏輯建立接口。DIM功能僅會(huì)關(guān)閉輸出驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)讓內(nèi)部電路繼續(xù)運(yùn)作，因此避免重新啟動(dòng)IC的延遲。我們也可以使用輸出啟動(dòng)接腳與其他邏輯關(guān)閉的功能。

雙線式PWM調(diào)光

雙線式PWM調(diào)光是汽車內(nèi)部照明所常用的調(diào)光方式。由于VIN調(diào)節(jié)至VIN-NOMINAL的70%以下，可偵測(cè)到電壓的改變并將PWM波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成輸出驅(qū)動(dòng)的相對(duì)應(yīng)PWM。此方法的缺點(diǎn)在于轉(zhuǎn)換器的電源必須包含可將PWM波長(zhǎng)重迭至本身DC輸出的電路。

使用分路裝置進(jìn)行快速PWM調(diào)光

由于轉(zhuǎn)換器輸出的關(guān)閉與啟動(dòng)延遲，因此限制了PWM調(diào)光頻率以及工作周期范圍。為了解決延遲的問(wèn)題，F(xiàn)ET等外部分路裝置平行置于LED或LED串，才可快速繞過(guò)LED周圍的轉(zhuǎn)換器輸出電流。“LED關(guān)閉時(shí)間”期間，電流仍持續(xù)進(jìn)入電感器可以避免電流在電感器電流基座上來(lái)回時(shí)產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間延遲。現(xiàn)在的延遲時(shí)間轉(zhuǎn)換到分路裝置上升與下降時(shí)間的限制。

因?yàn)殚_(kāi)啟FET時(shí)會(huì)產(chǎn)生輸出電流過(guò)沖，所以使用電流模式轉(zhuǎn)換器分路LED電流時(shí)必須特別小心。LM340x系列的LED驅(qū)動(dòng)器為實(shí)時(shí)控制轉(zhuǎn)換器，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)沖問(wèn)題。我們應(yīng)該保持LED上的低輸出電容以獲得最大化開(kāi)啟/關(guān)閉/開(kāi)啟的轉(zhuǎn)換速度。使用快速調(diào)光電路與關(guān)閉輸出的缺點(diǎn)是損失效率。分路裝置開(kāi)啟時(shí)，VShuntdeviceXILED的電力消耗會(huì)以熱能形式損失。使用低RDS-ON的FET可減少此效率損失。使用分路LED以取得較快轉(zhuǎn)換時(shí)間的另一個(gè)缺點(diǎn)是此動(dòng)作無(wú)法在升壓轉(zhuǎn)換拓樸中作用。在升壓的拓樸中，將負(fù)載端造成短路就等于是透過(guò)電感器造成Vin至接地的短路。

LM3409多重調(diào)光功能

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體所推出的LM3409為獨(dú)特的LED驅(qū)動(dòng)器，可提供完整模擬與PWM調(diào)光功能。在這裝置上有4種LED調(diào)光的可能方法：

1.直接使用0V～1.24V電壓來(lái)源驅(qū)動(dòng)IADJ接腳以進(jìn)行模擬調(diào)光2.在IADJ接腳與地面間放置電位計(jì)以進(jìn)行模擬調(diào)光3.使用啟動(dòng)接腳以進(jìn)行PWM調(diào)光4.使用外部分路FET以進(jìn)行PWM調(diào)光

我們必須使用電位計(jì)連接LM3409才可進(jìn)行模擬調(diào)光.內(nèi)部的5uA電流源會(huì)在RADJ上建立電壓，進(jìn)而變更內(nèi)部電流感應(yīng)設(shè)定。我們也可以使用DC壓直接驅(qū)動(dòng)IADJ接腳來(lái)達(dá)到相同的效果。

LED效率

LED發(fā)光效率大致可定義為以輸入電源瓦特?cái)?shù)除以可見(jiàn)輸出光電源流明數(shù);以每瓦特流明作為表示。所有進(jìn)入LED但并未成為可見(jiàn)光的電源會(huì)被轉(zhuǎn)換成熱能或是不可見(jiàn)的電磁輻射。LED的特性即是在低輸出等級(jí)時(shí)可獲得較高的效率。在低調(diào)光等級(jí)的情形下，比起PWM調(diào)光，使用模擬調(diào)光的LED效率較高。假設(shè)PWM調(diào)光的LED有低工作周期，LED尖峰電流會(huì)比用平均時(shí)間LED電流來(lái)的高。

調(diào)整脫機(jī)LED燈具

脫機(jī)LED照明可以作業(yè)的AC電壓，在日本為100VAC而在部份工業(yè)應(yīng)用中則為300VAC以上。以LED取代熒光燈泡的優(yōu)點(diǎn)之一為提高使用效率。LED燈具可以使用大概80,000個(gè)小時(shí)才需進(jìn)行維修或替換，但熒光燈具可能只能維持6,000小時(shí)。長(zhǎng)期看來(lái)，替換至LED燈具所節(jié)省的成本通常遠(yuǎn)超過(guò)LED燈具本身的花費(fèi)。

在住宅照明的應(yīng)用上會(huì)更可能需要使用可調(diào)光的LED燈具。常見(jiàn)的兩種調(diào)光類型為TRIAC與10VDC，而TRIAC調(diào)光器則更為常見(jiàn)。TRIAC控制器可在任何一間居家裝潢店取得，也比較常見(jiàn)于大部分家庭中。TRIACS會(huì)“切斷”部份的AC波長(zhǎng)以提高工作周期效率并提供電流給燈具。TRIAC調(diào)光的缺點(diǎn)是無(wú)法完全解決在低調(diào)光時(shí)閃爍光源的輸出。LED驅(qū)動(dòng)器技術(shù)的進(jìn)展改善了TRIAC的調(diào)光技術(shù)，現(xiàn)今的驅(qū)動(dòng)器比較能透過(guò)“解碼”低調(diào)光設(shè)定以輸出沒(méi)有閃爍的光線。

所謂10VDC調(diào)光，是在使用10V的燈具上將0V～10V的DC電壓應(yīng)用到調(diào)光控制器，其中的0V對(duì)應(yīng)到無(wú)光線，而10V則產(chǎn)生全幅的燈光輸出。10VDC照明需要從調(diào)光器安裝額外的連接線至燈具，在等級(jí)較高的燈具中比較常見(jiàn)，因?yàn)榇朔N燈具需要更多的線性調(diào)光控制以及比TRIAC調(diào)光器更好的調(diào)光比例。

結(jié)語(yǔ)

有許多方式可以調(diào)整切換式調(diào)節(jié)器供電的LED光線。而PWM與模擬這兩種主要調(diào)光方式則各有優(yōu)缺點(diǎn)。PWM調(diào)光大幅降低LED的顏色變化，并有不同的亮度層級(jí)，可提供額外邏輯來(lái)建立PWM波長(zhǎng)。

模擬調(diào)光則是比較簡(jiǎn)單的電路，但不適用于需要恒定色溫的應(yīng)用?，F(xiàn)在的LED燈或許會(huì)有一些問(wèn)題，但是我們相信隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，在我們科研人員的努力下，這些問(wèn)題終將唄解決，未來(lái)的LED一定是高效率，高質(zhì)量的。