【技術】模擬/PWM調光搭配得宜 LED照明色彩更繽紛

類比式LED調光設計簡單且成本低，但不適合需要穩定色溫的應用；數位式PWM調光色溫控制較佳，但須搭配MCU，增加系統成本。設計人員應考量應用需求，選擇最適合的調光方案，方能達到理想的LED照明色彩及亮度。

　　在建筑、區域與崁燈等照明應用中，色彩準確度非常重要，而發光二極體(LED)很適合提供準確色彩。LED顏色可隨著混合紅、藍、綠、黃、白等各色而異；當多種色彩混合時，亮度必須調整。本文針對多種LED混色的調光技巧進行介紹。

　　準確頻道亮度調控　LED實現豐富色彩

　　每顆LED晶體只能發出單色光，若希望創造其他色彩，可運用紅、綠、藍三原色的LED燈混合，只要切換紅、綠、藍LED頻道，即可產生七種基本色彩(紅、綠、藍、黃、紫、淺綠、白)。

　　如果需要更豐富的色彩，只須控制三原色的LED燈光亮度，就能產生眾多色彩，包括調整各LED頻道的亮度，并控制通過各LED串的電流調控明暗。改變LED白光燈的色溫時，通常調整紅色與白色的LED串即可。

　　調整LED明暗共有兩種基本方式：類比(Analog)與脈沖寬度調變(PWM)。兩者都是藉由安裝開關模式或線性LED驅動器，控制通過LED串的平均電流，以改變LED的亮度。

　　圖1為雙串LED驅動器，其中包括一個降壓切換器與一個線性穩壓器。兩個LED串均可選擇類比或PWM，兩者各有優缺點，多數應用是依據混色表現需求選擇調整方式。

　　圖1　雙串可調光LED驅動器，包含一個降壓轉換器與一個線性穩壓器。

　　類比調光須掌握電流變化幅度

　　LED類比調光是藉由控制通過LED串的恒電流，達到調整明暗效果，可控制晶片內的LED電流參考電壓，或是控制晶片外的LED電流感測電壓。

　　大多數的LED驅動器，其內部包括切換穩壓器與線性穩壓器，其中的LED電流高低由公式1決定：

　　......公式1

　　VREF為晶片內LED電流參考電壓，RSNS為電壓感測電阻。

　　藉著改變VREF可調整LED電流。有些LED驅動器晶片并不允許使用者改變LED電流參考電壓，而在允許改變LED電流參考的晶片里，通常有兩種改變方式：一是在晶片提供的參考電壓調整接腳上加入類比電壓；二為透過I2C等數位通訊介面調整參考電壓，以圖1為例，可藉由I2C的指令調整LED電流參考電壓。

　　另一種類比調光方式為改變LED電流感測電壓。多數應用的電流感測電阻低于1歐姆(ohm)，也因此，沒有必要使用電位計來改變電流感測電阻，藉由在晶片的電流感測接腳上，再加入外部直流電壓即可達成效果。圖2所呈現的是改變電流感測電壓，其典型類比調光線路，CS接腳的電壓則可參考下列公式2：

　　圖2　類比調光線路范例

　　......公式2

　　在穩定的狀態下，CS接腳電壓會與參考電壓相等。透過調整外部的直流電壓，或是調整可變電阻R2值，即可以改變LED電流。

　　在混色應用中使用類比調光將會發現一項缺點，此即由于LED色溫會隨電流變化，如果類比調光電流改變較大，LED亮度與顏色可能也會生變，導致無法產生理想色彩。

　　PWM調光色溫控制精準

　　PWM調光是以固定循環周期，以及頻率開關LED來決定，其調光的LED電流計算可參考下列公式3：

　　......公式3

　　IDIM為調光后的LED電流，D為PWM調光訊號的周期循環，ILED則為無調光的LED電流。

　　LED PWM調光頻率通常高于200Hz，肉眼無法察覺。許多LED驅動器晶片均具備PWM調光輸入接腳，可接收微控制器(MCU)產生的PWM調光輸入訊號。通常只有PWM調光訊號變弱時，驅動器晶片才會關閉金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)驅動器；等到訊號轉強，MOSFET驅動器又會開啟；此外，內部線路在PWM調光循環關閉時仍繼續運作，避免晶片必須重新啟動，造成PWM調光上升緣延遲。

　　在開關模式LED驅動器中，電容通常會放在LED串之中，過濾高頻率切換雜訊，亦可減緩PWM調光LED電流的升降緣。因此，高頻率低循環PWM調光應用必須移除電容。圖3呈現LED降壓穩壓器無輸出電容的PWM調光波形。

　　圖3　PWM調光LED電流波形

　　類比至PWM調光具過熱保護功能

　　有些LED驅動器晶片具備「類比至PWM調光」功能，晶片調光接腳接收類比訊號后，轉換為PWM調光訊號。PWM調光頻率固定，且循環周期與輸入類比訊號級成比例。

　　照明應用里若無MCU，則類比至PWM調光方案助益極大。類比至PWM調光設計可發揮過熱保護功能，如果LED板地溫度超過設定值，PWM調光便可以降低LED電流。

　　分流FET PWM調光適用于高頻率

　　分流FET PWM調光通常用于極高頻率的LED PWM調光。圖4呈現以降壓穩壓器為基礎的分流FET PWM調光線路，外部分流FET擺放位置與LED串平行，以迅速繞過轉換器輸出電流；當分流FET開啟時，LED串關閉，反之亦然。所以，LED串透過分流FET達到有效的PWM調光。有些LED驅動器晶片提供MOSFET驅動器，做為分流FET PWM調光之用，故不需外部MOSFET驅動器。

　　圖4　分流FET PWM調光范例

　　在分流FET PWM調光過程中，切換穩壓器的電感電流維持不變，電感電流升降不會造成延遲。若具備功能強大的MOSFET驅動器，分流FET能以極高速開關，故PWM調光的LED電流升降緣相當尖銳。分流FET PWM調光很適合高頻率PWM調光應用。

　　理想LED照明有賴多方考量

　　在LED混色應用中，調光對達成理想色彩及亮度相當重要。LED調光方式眾多，主要有類比調光與PWM調光兩種。類比調光使用的線路較簡單，成本較低，也適合無MCU的系統，但并不適合需要穩定色溫的應用；另一方面，PWM調光能減少LED電流變化造成的色差，故可達到相當精準的色溫，但PWM調光一般需要微處理器產生輸入數位訊號，因此提高系統成本。