开关模式 LED 驱动器中的调光
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1.前言
发光二极管 (LED) 驱动器设计的关键问题之一是调光性能。大多数设计人员使用以下两种方法之一：模拟调光或数字脉宽调制 (PWM) 调光。有两种方法可以实现数字 PWM 调光：启用开/关方法或并联场效应晶体管 (FET) 方法。在这两种实现方式中，LED 将根据数字 PWM 信号的占空比打开或关闭；然而，LED 驱动器的响应是不同的。在这篇文章中，我将回顾每种调光方法的实施和优势。
2.调光方案
模拟调光使用成比例的输入电压对 LED 输出电流水平进行线性调整。许多设备，如 TI 的 TPS92515 或 LM3409 LED 驱动器，都有一个专用的模拟调光引脚，用于调整内部检测电压。或者，对于带有微控制器 (MCU) 的应用，TPS92518 使用串行外设接口 (SPI) 通信接口对两个内部寄存器进行数字编程，以模拟对两个独立 LED 通道进行调光。
模拟调光的缺点是当所需的输出电流变小时，由于内部运算放大器的失调电压，电流输出与输入电压不是线性相关的。例如，如果LED驱动器的内部运算放大器偏移电压为±5mV，则当感测电压为200mV时，调节电流的误差将为5mV/200mV = ±2.5%。当检测电压为 20mV 时，调节电流的误差为 5mV/20mV = 25%。
尽管可以在线性范围之外使用模拟调光，但考虑到线性关系的简单性，一些设计人员更愿意保持在线性范围内。图 1 显示了模拟调光线性度的示例。
图 1：模拟调光控制示例（来自 LM3409 数据表）
数字 PWM 调光方法通常可以实现比模拟调光更宽的线性调光范围，这有利于低亮度调光。在数字 PWM 调光启用开/关方法中，LED 驱动器根据来自 MCU 或其他外部源的输入 PWM 信号的占空比打开或关闭。PWM 调光的主要延迟来自于打开和关闭输出驱动，以及随后的电感电流斜坡上升和下降。如果 LED 驱动器的闭环带宽较低，则对 PWM 信号的响应本质上很慢，并且不容易实现低亮度。
假设 LED 驱动器以 1MHz 开关频率运行，其带宽已调整，以便输出电流在五个周期内稳定下来。在这种情况下，5µs 将是 LED 驱动器提供稳定光输出的最短开启时间。如果输入 PWM 调光信号为 200Hz，则周期为 5ms。为了保持最少 5µs 的开启时间，调光比将为 5ms 至 5µs，或 1,000 比 1。换句话说，在 1MHz 开关频率下运行的 200Hz PWM 调光频率下，最小 PWM 调光占空比将为 0.1%。图 2 显示了典型启用开/关方法 PWM 调光方案中 LED 电流的延迟。
图 2：启用开/关方法的数字 PWM 调光
为了进一步提高调光性能，我们可以优化环路带宽以缩短建立时间，或者将 LED 驱动器设置为以更高的开关频率运行。TPS92518 有两个独立的 PWM 输入引脚来控制两个 LED 通道的亮度。
分流 FET PWM 调光是一种让 LED 驱动器开启的替代方法。数字 PWM 信号控制并联连接到 LED 负载的分流 FET，以根据 PWM 信号的占空比的倒数重新引导从 LED 流出的输出电流通过并进入分流 FET。最好不要将这种方法用于需要巨大输出电容器的 LED 驱动器，因为输出电容器存储的能量可能会引入高电流过冲，从而损坏分流 FET 或 LED 负载。
这使得具有滞后控制架构的 LED 驱动器（例如 TPS92518）非常适合并联 FET 调光。迟滞型 LED 驱动器是开环的，因此没有闭环开关型 LED 驱动器的环路带宽限制。分流 FET 调光的好处是，电感器电流带控制良好，LED 开启或关闭时间极快（在纳秒内），从而通过低占空比 PWM 信号实现低亮度。图 3 显示了在并联 FET PWM 调光情况下 LED 电流的延迟非常小。
图 3：分流 FET PWM 调光
越来越多的应用需要 MCU 与 LED 驱动器进行通信以控制亮度。TPS92518 具有 SPI 控制接口，可通过 8 位数字字节设置 LED 电流电平，使我们能够即时调整 LED 电流。SPI 控制接口以数字方式设置标称运行关断时间，而不是在关断时间控制引脚上使用电阻电容电路。TPS92518 具有另一个通过 SPI 编程的寄存器，用于设置最大关断时间，以在分流 FET PWM 调光期间实现良好控制的电感器电流带。
TPS92518 具有一个内部 ADC，可将两个通道的输出电压和估计的芯片温度转换为数字代码。该信息存储在 TPS92518 的寄存器中，可通过 SPI 接口回读。TPS92518 的架构允许启用开/关 PWM 调光或分流 FET PWM 调光。
我们必须在模拟调光和 PWM 调光之间进行选择，以根据我们的设计要求控制 LED 亮度。模拟调光方式不需要数字信号输入；但是，这种方法不容易实现深度调光。PWM 调光方法的两种实现方式都可以实现更高的调光比，但需要付出更多努力才能正确设计。
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