LED照明亮度控制新技术特征与应用

1、前言

　　如今电源管理技术的发展趋势是，以太网供电技术巨大市场近在咫尺，电源IC应身兼多职，电源转换IC集成LDO和DC/DC转换器，LED/LCD/OLED驱动器以及其他的功率半导体器件和电源模块。而本文仅对LED/LCD/OLED驱动器中的调光控制技术作研讨。这是因为LED推动了照明革命。LCD背光仍是主要LED应用，其LED已经被用于各种室内及室外装饰照明应用，而且开始着眼于手电、花园灯和街灯等通用照明应用。这些用途为LED照明正在家庭与企业照明领域开辟市场。LED通用照明的未来是发光效率超过100 lm/W的高通量LED的开发，使得LED不需要逆变器就能利用交流电工作，从而推动LED更加接近主流的通用照明市场。因而背光照明的亮度控制是LED照明革命中的重要技术，于是便有下文所述的LED照明亮度控制的新技术特征与应用的分析介绍。

　　2、背光照明亮度控制的拓扑

　　背光照明亮度控制的拓扑即调光方法，包括使用低频和高频信号进行脉宽调制(PWM)、直流电压控制及电阻调光等调光技术，以下仅介绍直流电压控制及PWM调制技术。

　　2.1直流电压调光

　　图1是以ZETEX的ZXLD1350驱动器为例的典型直流电压调光示意图。

　　ZXLD1350驱动器是连续电感式降压转换器，内置多开关而输出电流达350mA，输入电压范围在7V至30V之间。其特点是ZXLDl350配备多功能的调节脚，可通过控制LED的电流，以多种方式调节LED的亮度。

　　图1  直流电压调光示意图

　　TLV431作为分路调节器，以产生外置的1.25V电压基准。此电压基准被运用至VRl电位以提供0V-1.25V的调光电压。使用外置的调节器，将影响电流设定的准确性。相对于内置电压基准，使用1%电压基准，使LED电流更加准确。

　　调节针可通过外置的直流电压(VADJ)进行过驱动，以获得超过内置的电压基准，并调整输出电流使其超出或低于额定值。此时的额定输出电流为：

　请注意，100%的亮度设定与VADJ=VREF相对应。如果VIN达到最大值2.5V，则RSENSE应增加2倍。这将使功率小幅降低1%到2%。调节针的输入阻抗为200kV+20%。如果直流电压的输出阻抗相对较高，可能有所影响。

　　2.2新的调光技术--PWM调制技术的应用

　　LED发出光的波长与器件内被驱动的正向电流关系密切。为了防止色调变化，须精心选择调光方法。以往最常用的调光方法是改变器件上的正向电流或电压。不幸的是电流或电压的变化都会改变光的波长，这种效应与波长成正比，较长的波长经受的色调对电流的变化最强。在很多应用中，这种结果是不能接受的，如果采用PWM调制技术，就可以给LED正确调光，不会引起波长变化。LED的通断操作是通过改变占空比实现的，这时正向电流(1F)是恒定电流。

　　2.2.1低频高频调光应用

　　⑴低频调光。由于LED具备稳定的瞬时驱动电流，因而适合采用低频凋光。LED的色温在所有亮度下保持不变。低频调光的另一个优点是可将亮度降至1%。因此调光范围为100：1。而频率选择是为避免可见闪烁， PWM信号必须大于100Hz。如果所选的频率过高，内置低通滤波器将开始合并PWM信号，并产生非线性反应。同时调节针的软启动功能将导致PWM信号的上升或下降发生延迟。这将使LED电流具有非线性特性，在频率增加时影响更为显著。

　　常见的低频和高频信号进行脉宽调制示意图如图2所示。该图是以ZETEX的ZXLD1350驱动器为例的脉宽调制示意图。

　　图2 以ZXLD1350驱动器为例的脉宽调制示意图

　　建议低频的上限为lkHz。电感器可能听得见的噪音的影响也需要加以考虑。某些线圈松动的电感器可能出现此类情况，PWM频率为lkHz时将比100Hz更加明显。

　　⑵高频调光

　　如果系统要求低辐射和输入/输出谐波，则适合采用高频调光。但调光范围将降至5:l。ZXLDl350具备整合高频PWM信号的内置低通滤波器，可进行直流调光控制。如果PWM频率高于10kHz左右，且占空比大于指定的最小值，装置将保持工作状态，输出也将持续不变。

　　⑶输入缓冲晶体管

　　进行PWM调光时，输入双极晶体管Q宜使用集电极开路输出(如图2所示)。以确保达到200mV的输入关闭阈值。不使用缓冲晶体管也可直接进行PWM控制，但必须格外谨慎。该操作将使内置的1.25V电压基准负荷过重。如果100%PWM(直流)使用2.5V输入电压，进入LED的输出电流将达到正常电流的2倍。并可能损坏ZXLDl350。使用5V逻辑信号进行过驱动将极有可能在超出调节针额定电压时损坏装置。

　　⑷软启动及去耦电容器

　　调节针上的任何附加电容器都将影响PWM信号上升和下降。由于上升时间将增加大约0.5ms/nF，因此需对此加以考虑。将其与100Hz PWM进行对比，50%占空比时开启时间Ton，及关闭时间Toff为5ms，1%占空比时开启时间Ton为0.1ms。调节针上的lnF将导致0.5ms的上升时间，这将造成以低占空比进行调光时出错和受到限制。

　　2.2.2利用线性以及PWM输入信号准确控制亮度

　　该方案是采用高度整合的技术。其特点是效率较高而且功耗较低，所需的外置组件也最少并可准确控制温度/亮度。而新型LM3402/02HV开关稳压器可以能满足这方面技术的需要，图3所示为LM3402/02HV开关稳压器的应用示意图。

　　图3中的LM3402/02HV开关稳压器设有专用的亮度控制(DIM)接脚，可以利用线性以及PWM输入信号准确控制亮度。利用发光二极管发光的照明系统普遍采用PWM的光暗控制方式控制灯光亮度，这个亮度控制方法已成为业界普遍采用的标准。只要调节正向发光二极管的电流，发光二极管的光线输出量便会按照线性方式增减，但大部分光线的波段会出现偏移现象。部分应用对颜色的要求并不十分严格，因此仍会采用线性的亮度控制方式，但汽车灯如煞车灯、液晶显示器背光以及直接显示的RGB发光二极管对亮度及色彩都有极严格的要求，因此这类应用一般都会采用PWM方式控制亮度。

　　图3 LM3402/02HV开关稳压器的应用示意图

　　LM3402/02HV开关稳压器特征如下：输入电压范围 6V～75V，采用降压稳压器的线路布局；可为发光二极管提供恒定的驱动电流，回授电压为200mV；当RON接脚处于低电位时，停机电流便会进一步降低；准确的PWM亮度控制；开关频率高达1MHz；设有磁滞功能，而且导通时间固定。因此，可以在整个输入电压范围内进行开关频率(FSW)控制。

　　2.2.3一个PWM控制的串联开关的应用

　　当PWM频率高于100Hz时，人眼是无法察觉单个脉冲的，但是，整合这些脉冲把它们理解为亮度，通过线性改变占空比，就可以线性改变亮度，而不会有任何波长变化。如图4所示，调节LED亮度最常用的方法是一个PWM控制的串联开关。因为正向工作电流相对较高，所以选择开关时必须小心，确保开关能够处理传导损耗。

　　图4 引用ST公司新型技术的PWM调光技术框图

　　为了克服这个问题，这个方案取消了串联开关，而且还提高了能效。图4所示为新的调光技术的框图，引用了ST公司的新型技术。这项新技术存在于两个控制回路内：一个电流回路和—个电压回路(图4所示)。当需要最大的亮度时，电流同路以稳定的正向电流驱动LED；在调光操作期间，电流控制回路将会限制最大输出电流，同时电压回路将维持输出电压低于LED阵列阈值电压之和。当断开LED时，电压回路将控制最大输出电压。该新的调光技术的框图因为不再使用电源开关，就可以得到一个更加低廉的高效解决方案。

　　3、增添智能性亮度控制技术的应用

　　LED照明应用可以得益于MCU的智能性。MCU可以用于多种任务，包括用户接口、通信、电池状态监控和温度测量。在设计中添加MCU并不意味着加大了复杂性、占用空间或更昂贵。如Microchip提供了PIC10F系列MCU，这些器件采用6引脚SOT-23封装形式。器件内部还有振荡器和复位电路。连接电源并接地，得到4个I/0引脚，这些引脚可以编程设定为执行任何所需的任务。FPIC10F引脚可以用作模拟或数字引脚。FPIC10F系列中有两个器件型号含有模拟比较器模块。有两个FPIC10FP器件型号含有8位模数转换器(ADC)。只需要学习33条汇编指令就可以为PICIOF编写代码。

　　MCU在LED照明中的一种应用是进行亮度控制。功率型LED可以通过降低驱动电流进行调光。但是，这不是控制LED亮度的最有效方式。在最高额定驱动电流下，功率型LED达到最佳效率。通过使用低频PWM信号来开关LED可以达到更好的效率。PWM信号连接到SMPS控制IC的使能输入。在打开时，LED始终以最高电流驱动。

　　PICl0F206器件为SMPS IC提供了用户按钮接口，并产生PWM控制信号。PIC10F206具有内部振荡器和复位电路，不需要任何外部电路。在这些应用中，PIC10F206器件还可以用于线性化亮度控制或监控电池状态。

　　3.1新的解决方案中PWM控制信号如何产生

　　有多种方法可以产生PWM控制信号来控制供电电路。带有捕捉—比较-PWM(*)模块的器件可以利用片上数字时基来产生PWM信号，以控制供电电路，从图5所示的使用PIC12HV615比较器的降压LED驱动器输出到Q1的信号可以看出。

　　图5 使用PIC12HV615比较器的降压LED驱动器

　　信号脉冲宽度由MCU时钟和占空比寄存器控制；增强型*(E*)模块使一个PWM信号可以控制2或4个输出引脚，分别进行半桥或H桥控制；具有比较器和E*模块的器件可以使用比较器信号来控制PWM信号的关闭时间；具有比较器和PWM SR锁存器的器件可以使用比较器信号和/或时钟脉冲来开关锁存器输出；可以使用外部PWM外设IC。在需要多个高速PWM通道时，这一方法很有用，PWM信号可以使用软件和I/0引脚产生。PWM频率和占空比分辨率要求不是太高的话，这一方法的成本较低；带有片上比较器的PIC单片机(如PICl2F609)可以用于实现简单的LED驱动器。PICl2HV609添加了一个内部稳压器，可以在高于5V的直流总线下工作。

　　3.2 PWM控制信号产生例举--MCPl630高速PWM控制器

　　MCPl630提供了另一种可用于为大功率LED驱动器产生高速PWM信号的方法（见图6所示）。

　　图6  由MCPl630提供的大功率LED驱动器

　　MCPl630是8引脚器件，包含产生模拟PWM控制环路所需的元件，包括：误差放大器、比较器和驱动功率晶体管的高电流输出引脚。MCPl630旨在用于与提供参考时钟源的MCU配合使用。PICHV615MCU控制PWM频率和最大占空比。根据应用需求，开关频率最高可达1MHz。在需要调光或软启动功能时，MCU还可以控制误差放大器的参考输入。多个MCPl630器件可以连接到一个MCU来支持多个供电通道。

　　MCPl630可以用于解决高级的供电难题。在使用多个MCPl630器件时，可以对每个时钟输入应用相位偏移来降低总线电流脉动。对于对EMI敏感的应用，可以对时钟信号应用抖动来降低给定频率的辐射能量。

　　4、关于加强背光照明亮度控制技术的应用

　　背光照明LED的亮度控制可经由 PWM或恒流控制来实现。PWM亮度控制需动用一个恒流驱动器来驱动LED，但需要调节开/关时间才能达到所需的光度。因此，PWM比直接的恒流控制更加复杂。于是又呈现新的解决方案。为此，以RGB LED背光照明为例加以说明。

　　LCD显示屏中的图素会划分为三个主色区格：红、绿和蓝。图素色彩是由这三种主色混合来定义。使用RGB背光，当LED温度改变时，驱动器必须更正红、绿和蓝三个主色间的亮度平衡，以防出现白点位移。此外，驱动器还需保证在任何操作温度下维持光的正确强度，而在补偿方面，可以用闭环或开环形式。使用闭环补偿的话，需采用感光器来测量白点和其强度。相反地，如使用开环补偿，温度便需事先测量出来，并通过预先定义好的补偿曲线来调节亮度的平衡。以如LP5520是RGB背光照明驱动器的一个例子，是一个开环补偿式LED驱动器。图7表示开环颜色补偿的原理。

　　图7  开环颜色补偿的原理

　　其中温度补偿曲线是用现实应用中的RGB LED来量度，这些曲线被编程在芯片内部的EEPROM存储器中。该芯片被集成到LCD显示模块上，而模块的制造商会在生产时为补偿曲线编程。此外，RGB LED背光亦可用作优化颜色过滤器。

　　5、结论

　　上述高效的LED亮度控制技术有几个不同拓朴方法，概括为二类：其一是独立使用一个模拟驱动器IC，或者将其与一个MCU(用以增添智能性)配合使用；其二是将LED驱动功能集成到MCU应用中。拓朴的选择要视应用而定，而即将出现的集成多任务混合信号解决方案必会为LED亮度控制技术带来新的挑战。