可調光LED： 應該選擇哪種方案?

　　光通量（單位流明）是光源發出有用功的度量，該性能指標是一個所有波長的能量和專門對應人眼反應的可見光區域的加權函數。LED的光通量與驅動電流的大小成正比。很多情況下，光輸出的實時變化都須通過改變LED驅動電流來實現，這就是通常所謂的調光控制。

　　在很多調光應用中顏色的控制同樣重要，制造高亮度白光LED通常的方法是在發射藍光的LED芯片上覆蓋一層熒光粉半球涂層。最終的發射光在一定色溫下將呈現白光，色溫是用來描述光的顏色與黑體曲線上的參考顏色比較后的一個性能指標。LED生產商制定了一個標稱的色溫來表示白光LED，但實際上它很容易因正向電流、結點溫度和產品壽命的影響而改變。大部分彩色LED不含熒光粉，它們不考慮色溫僅發出特定波長的光，但是會受波長偏移的影響。

　　技術背景

　　圖1給出的是在補償拓撲結構下的直流/直流開關式LED驅動器，在這個拓撲結構里，輸入電壓Vin比輸出電壓VOUT（LED和RSNS上的電壓）更高。能量是通過受控開關（連至圖1 LM3406內部），二極管D1和電感L1。在輸入至輸出間處理及傳遞。通常，能量傳遞發生在50KHZ～1MHZ的轉換頻率間，具體取決于實際應用。通過監控流經CS引腳的檢測電阻RSNS上的平均電壓值，可以控制LED電流。通過增加或者減少LED電流調節CS引腳，驅動內部轉換的占空比會動態變化。

圖1 開關式LED驅動器

　　開關式LED驅動器調光控制常用的方法有兩種：脈寬調制調光（脈寬調制）和模擬調光。兩種方法均通過控制流過LED的時間平均電流實現，但是這兩種方法的差異眾多，除了下文要談到的功能差異，兩種方法各自的優勢與問題也已在表1中標出。

　　模擬調光

　　使用開關式驅動器進行模擬調光，是通過調節標稱LED電流來實現的。理論上，圖1中用LM3406來模擬調光，只需調整RSNS即可實現。但在實際操作中，RSNS的值非常小（小于1?），這不利于電阻的功率耗散，實際中還沒有哪種標準電位計可以提供這么小的可變電阻。相反的，有種更復雜的技術通過使用一個固定檢測電阻就可以直接控制標稱LED電流。如圖1所示，可以把運算放大器放在CS引腳和RSNS之間，用來緩沖和放大檢測電壓。一個更高的電阻電位計可以放在從輸入到輸出的反饋回路上，以調節有效傳感電壓值，從而達到對LED模擬調光的目的。

　　模擬調光的主要缺點是色溫較大，與平均LED電流對應的波長發生偏移。具體取決于實際應用，該問題對有的應用而言很關鍵，另一些則不然。例如，對一個標準的、低成本的用熒光粉涂層覆蓋的白光LED閃光燈，色溫的偏移問題幾乎可以忽略。相反，使用RGB（紅，綠，藍）LED的背光顯示器，在模擬調光時不允許任何的波長偏移。模擬調光相對簡單，成本低廉，這使得它極受某些具體應用領域的喜歡，當然不是所有的應用。

　　PMW調光

　　與模擬調光相反，脈寬調制調光不是通過對標稱電流的調節，而是用低于比開關頻率的轉換控制器的開和關進行調節。它產生了一個調制輸出電流，其平均值等于固定的LED標稱電流值乘以脈寬調制驅動信號的占空比。脈寬調制調光頻率范圍從100次/Hz～10次/kHz，該頻率必須比人眼感知的速度快，這樣就可以避免頻閃現象，一般來說，其頻率限制在大于或等于200HZ。

　　通過脈寬調制調光，LED電流為零或在標稱電流級，這極大地改善了模擬調光時的色移現象，在需要對顏色進行精確控制的應用中，該技術是人們的首選。其缺點是在LED電流的脈寬調制過程中會增加開關的噪音。當然，產生脈寬調制輸入信號還會增加成本，產品設計也更為復雜。

圖2（a）平行并聯FET脈寬調制

圖2（b）脈寬調制調光應用和產生的波形

　　如圖2（a）中所示，許多LED驅動器的特點是有一個專門的脈寬調制調光引腳。這個DIM引腳可以適應很寬的脈寬調制頻率和振幅，允許有一個連接外部邏輯電路的簡單接口。DIM功能關閉內部開關，這在保持內部偏置電路運行下，確保不向LED驅動器提供輸出，避免了IC重新啟動的延遲。延遲時間的最小化令驅動器獲得更寬的調光范圍。在這種脈寬調制調光執行過程中的最小可獲得的占空比受到圖2（b）中所示的電感的上升時間和衰減時間（轉換率）的限制。通過DIM引腳進行脈寬調制調光可以應用在從汽車前燈到一般通用射燈等眾多應用領域。

　　對于如電視背光燈之類更復雜的應用，需要更大的調光范圍。只有使用如圖2（a）所示的并行FET調光才有可能實現。在這個配置中，切換式LED驅動器可持續性地調節輸出電流，脈寬調制調光信號控制LED負載的開關閘。通過開關的開和關重新引導流經開關的LED電流，并在要求的占空比內，反向流過LED。效果基本與脈寬調制調光所采用的DIM 引腳一致，在這個PMW調光里占空比控制LED平均電流。LED電流的上升和下降時間是一個令幅度變快的指令，它們并不取決于電感的轉換率。圖2（b）所示的是如何達到一個更小的最小占空比，從而極大改善調光范圍。

　　雙線調光

　　雙線脈寬調制調光是一項很流行的車內照明技術。該技術一開始主要用于白熾燈負載上，通過電阻性負載降低平均電壓，可以直接調節其室內光源，從而實現調光。因為汽車行業還在應用LED的過渡中，對某些生產廠商而言，現有架構仍富有吸引力。開關式電源設計中存在一個問題，即可以不考慮輸入狀態調節輸出。為了使用這些嵌在電源上的調光信息，解碼調光角度很有必要。

圖3 雙線脈寬調制脈寬調制調光應用

　　圖3給出的是使用開關式LED驅動器進行雙線調光的一種方法。隨著VIN上升和下降，VINS引腳監測到占空比，并把脈寬調制波形轉為內部開關調制。調光效果與通過DIM引腳的脈寬調制調光一樣，該方法的缺點是，當輸入電源在每個調光周期關斷時，輸入電容CIN必須提供輸入功率。此外，高壓二極管D1必須確保VINS 引腳可以檢測到調制信號。

　　調光和效率

　　LED光效可以簡單的定義為用流明表示的可視輸出功率與用瓦表示的輸入電功率（單位是流明/W）之比。所有輸入LED但未能生成可見光的電功率都轉化成了熱或者不可見電磁輻射。眾所周知，當用正向電流驅動時所有的LED光效更高（在更低的輸出功率下）。圖4示意了LED正向電流和光通量間的常見關系。當指數從理想線上偏斜下來，光效將隨之降低。

圖4 電流和光通量

　　從圖4中我們可以看到，在較低的調光級別，比起脈寬調制調光模擬調光的LED光效更高。在更低的占空比下，我們會考慮使用脈寬調制調光，LED峰值電流比時間平均LED電流要大得多。另外一方面，模擬調光LED只適用于平均電流水平。

　　復合調光功能

　　美國國家半導體的LM3409是一個設計獨特的降壓LED控制器，可以很容易的為模擬調光和脈寬調制調光提供支持功能。模擬調光和脈寬調制調光可以分別進行，或者在復雜的調光模式下可以進行一些同步的簡單操作。圖5示意的是使用LM3409的一種典型的模擬調光應用。使用該器件可以有四種方法實現LED調光。

　　1. 在電源電壓 從0V～1.24V變化時，直接驅動IADJ 引腳來模擬調光

　　2. 在IADJ 引腳 和Gnd間安裝一個電位計來模擬調光

　　3. 用EN 引腳完成脈寬調制調光

　　4. 通過外分流FET完成脈寬調制調光

圖5 使用電位計的模擬調光

　　LM3409是一個阻尼配件，總開關Q1打開，能量從輸入傳遞到輸出。當開關電流達到門限峰值時，Q1關閉，然后，一個與輸出電壓成正比的穩定的關閉定時開關將決定關斷時間，通過在0～248mV范圍內改變內部峰值感應閾值電流可以進行模擬調光。如果IADJ引腳懸空，將內部5uA電流源引腳電壓偏置至1.24V，這樣在248mV下通過檢測電阻RSNS的LED電流就會達到峰值。如果把一個電位計從IADJ 接地（GND），5uA電源偏置到RADJ，則產生一個電壓，該電壓將改變內部電流感應閾值。用同樣的方法，IADJ 引腳可以只用一個從0～1.24V的直流電壓來驅動，標定從0～248mV的電流感應閾值。

圖6 電流和電位器電阻

　　圖6是一個測量LED電流及在IADJ 引腳到GND間電位計電阻值的平面圖。在非常低的調光幅度下，LED電流到電位計電阻的傳遞函數幾乎是線性的。圖5所示的內部2.5V鉗位電壓值能使最大電流限定在1A以內。

　　LM3409的脈寬調制調光跟LM3406一樣，除了LM3406使用專用的DIM 引腳，而LM3409用的是EN引腳。EN引腳是邏輯輸入，這個邏輯輸入用脈寬調制輸入信號來打開和關閉主要的FET Q1。LM3409和LM3406唯一的區別是如果EN引腳的引線足夠長，位置較低，則LM3409將完全關閉。用LM3409也可實現并聯分流FET調光。

　　表1列出的優缺點，標明使用LM3409器件進行混合調光所帶來的好處。隨著LED照明產業的發展，混合調光法將變得越來越受歡迎。

表 1 模擬調光和脈寬調制調光的優缺點