可调光LED: 应该选择哪种方案?

LED照明的迅速发展意味着需要大量IC器件为LED提供电源控制。在现在的节能时代，为了控制LED电流，开关式LED驱动器早已开始取代高能耗的线性器件。从闪光灯到街灯，再到体育场的记分牌，都对这些产品要求精确控制的LED光输出（即光通量）。

　　光通量（单位流明）是光源发出有用功的度量，该性能指标是一个所有波长的能量和专门对应人眼反应的可见光区域的加权函数。LED的光通量与驱动电流的大小成正比。很多情况下，光输出的实时变化都须通过改变LED驱动电流来实现，这就是通常所谓的调光控制。

　　在很多调光应用中颜色的控制同样重要，制造高亮度白光LED通常的方法是在发射蓝光的LED芯片上覆盖一层荧光粉半球涂层。最终的发射光在一定色温下将呈现白光，色温是用来描述光的颜色与黑体曲线上的参考颜色比较后的一个性能指标。LED生产商制定了一个标称的色温来表示白光LED，但实际上它很容易因正向电流、结点温度和产品寿命的影响而改变。大部分彩色LED不含荧光粉，它们不考虑色温仅发出特定波长的光，但是会受波长偏移的影响。

　　技术背景

　　图1给出的是在补偿拓扑结构下的直流/直流开关式LED驱动器，在这个拓扑结构里，输入电压Vin比输出电压VOUT（LED和RSNS上的电压）更高。能量是通过受控开关（连至图1 LM3406内部），二极管D1和电感L1。在输入至输出间处理及传递。通常，能量传递发生在50KHZ～1MHZ的转换频率间，具体取决于实际应用。通过监控流经CS引脚的检测电阻RSNS上的平均电压值，可以控制LED电流。通过增加或者减少LED电流调节CS引脚，驱动内部转换的占空比会动态变化。

图1 开关式LED驱动器

　　开关式LED驱动器调光控制常用的方法有两种：脉宽调制调光（脉宽调制）和模拟调光。两种方法均通过控制流过LED的时间平均电流实现，但是这两种方法的差异众多，除了下文要谈到的功能差异，两种方法各自的优势与问题也已在表1中标出。

　　模拟调光

　　使用开关式驱动器进行模拟调光，是通过调节标称LED电流来实现的。理论上，图1中用LM3406来模拟调光，只需调整RSNS即可实现。但在实际操作中，RSNS的值非常小（小于1?），这不利于电阻的功率耗散，实际中还没有哪种标准电位计可以提供这么小的可变电阻。相反的，有种更复杂的技术通过使用一个固定检测电阻就可以直接控制标称LED电流。如图1所示，可以把运算放大器放在CS引脚和RSNS之间，用来缓冲和放大检测电压。一个更高的电阻电位计可以放在从输入到输出的反馈回路上，以调节有效传感电压值，从而达到对LED模拟调光的目的。

　　模拟调光的主要缺点是色温较大，与平均LED电流对应的波长发生偏移。具体取决于实际应用，该问题对有的应用而言很关键，另一些则不然。例如，对一个标准的、低成本的用荧光粉涂层覆盖的白光LED闪光灯，色温的偏移问题几乎可以忽略。相反，使用RGB（红，绿，蓝）LED的背光显示器，在模拟调光时不允许任何的波长偏移。模拟调光相对简单，成本低廉，这使得它极受某些具体应用领域的喜欢，当然不是所有的应用。

　　PMW调光

　　与模拟调光相反，脉宽调制调光不是通过对标称电流的调节，而是用低于比开关频率的转换控制器的开和关进行调节。它产生了一个调制输出电流，其平均值等于固定的LED标称电流值乘以脉宽调制驱动信号的占空比。脉宽调制调光频率范围从100次/Hz～10次/kHz，该频率必须比人眼感知的速度快，这样就可以避免频闪现象，一般来说，其频率限制在大于或等于200HZ。

　　通过脉宽调制调光，LED电流为零或在标称电流级，这极大地改善了模拟调光时的色移现象，在需要对颜色进行精确控制的应用中，该技术是人们的首选。其缺点是在LED电流的脉宽调制过程中会增加开关的噪音。当然，产生脉宽调制输入信号还会增加成本，产品设计也更为复杂。

图2（a）平行并联FET脉宽调制

图2（b）脉宽调制调光应用和产生的波形

　　如图2（a）中所示，许多LED驱动器的特点是有一个专门的脉宽调制调光引脚。这个DIM引脚可以适应很宽的脉宽调制频率和振幅，允许有一个连接外部逻辑电路的简单接口。DIM功能关闭内部开关，这在保持内部偏置电路运行下，确保不向LED驱动器提供输出，避免了IC重新启动的延迟。延迟时间的最小化令驱动器获得更宽的调光范围。在这种脉宽调制调光执行过程中的最小可获得的占空比受到图2（b）中所示的电感的上升时间和衰减时间（转换率）的限制。通过DIM引脚进行脉宽调制调光可以应用在从汽车前灯到一般通用射灯等众多应用领域。

　　对于如电视背光灯之类更复杂的应用，需要更大的调光范围。只有使用如图2（a）所示的并行FET调光才有可能实现。在这个配置中，切换式LED驱动器可持续性地调节输出电流，脉宽调制调光信号控制LED负载的开关闸。通过开关的开和关重新引导流经开关的LED电流，并在要求的占空比内，反向流过LED。效果基本与脉宽调制调光所采用的DIM 引脚一致，在这个PMW调光里占空比控制LED平均电流。LED电流的上升和下降时间是一个令幅度变快的指令，它们并不取决于电感的转换率。图2（b）所示的是如何达到一个更小的最小占空比，从而极大改善调光范围。

　　双线调光

　　双线脉宽调制调光是一项很流行的车内照明技术。该技术一开始主要用于白炽灯负载上，通过电阻性负载降低平均电压，可以直接调节其室内光源，从而实现调光。因为汽车行业还在应用LED的过渡中，对某些生产厂商而言，现有架构仍富有吸引力。开关式电源设计中存在一个问题，即可以不考虑输入状态调节输出。为了使用这些嵌在电源上的调光信息，解码调光角度很有必要。

图3 双线脉宽调制脉宽调制调光应用

　　图3给出的是使用开关式LED驱动器进行双线调光的一种方法。随着VIN上升和下降，VINS引脚监测到占空比，并把脉宽调制波形转为内部开关调制。调光效果与通过DIM引脚的脉宽调制调光一样，该方法的缺点是，当输入电源在每个调光周期关断时，输入电容CIN必须提供输入功率。此外，高压二极管D1必须确保VINS 引脚可以检测到调制信号。

　　调光和效率

　　LED光效可以简单的定义为用流明表示的可视输出功率与用瓦表示的输入电功率（单位是流明/W）之比。所有输入LED但未能生成可见光的电功率都转化成了热或者不可见电磁辐射。众所周知，当用正向电流驱动时所有的LED光效更高（在更低的输出功率下）。图4示意了LED正向电流和光通量间的常见关系。当指数从理想线上偏斜下来，光效将随之降低。

图4 电流和光通量

　　从图4中我们可以看到，在较低的调光级别，比起脉宽调制调光模拟调光的LED光效更高。在更低的占空比下，我们会考虑使用脉宽调制调光，LED峰值电流比时间平均LED电流要大得多。另外一方面，模拟调光LED只适用于平均电流水平。

　　复合调光功能

　　美国国家半导体的LM3409是一个设计独特的降压LED控制器，可以很容易的为模拟调光和脉宽调制调光提供支持功能。模拟调光和脉宽调制调光可以分别进行，或者在复杂的调光模式下可以进行一些同步的简单操作。图5示意的是使用LM3409的一种典型的模拟调光应用。使用该器件可以有四种方法实现LED调光。

　　1. 在电源电压 从0V～1.24V变化时，直接驱动IADJ 引脚来模拟调光

　　2. 在IADJ 引脚 和Gnd间安装一个电位计来模拟调光

　　3. 用EN 引脚完成脉宽调制调光

　　4. 通过外分流FET完成脉宽调制调光

图5 使用电位计的模拟调光

　　LM3409是一个阻尼配件，总开关Q1打开，能量从输入传递到输出。当开关电流达到门限峰值时，Q1关闭，然后，一个与输出电压成正比的稳定的关闭定时开关将决定关断时间，通过在0～248mV范围内改变内部峰值感应阈值电流可以进行模拟调光。如果IADJ引脚悬空，将内部5uA电流源引脚电压偏置至1.24V，这样在248mV下通过检测电阻RSNS的LED电流就会达到峰值。如果把一个电位计从IADJ 接地（GND），5uA电源偏置到RADJ，则产生一个电压，该电压将改变内部电流感应阈值。用同样的方法，IADJ 引脚可以只用一个从0～1.24V的直流电压来驱动，标定从0～248mV的电流感应阈值。

图6 电流和电位器电阻

　　图6是一个测量LED电流及在IADJ 引脚到GND间电位计电阻值的平面图。在非常低的调光幅度下，LED电流到电位计电阻的传递函数几乎是线性的。图5所示的内部2.5V钳位电压值能使最大电流限定在1A以内。

　　LM3409的脉宽调制调光跟LM3406一样，除了LM3406使用专用的DIM 引脚，而LM3409用的是EN引脚。EN引脚是逻辑输入，这个逻辑输入用脉宽调制输入信号来打开和关闭主要的FET Q1。LM3409和LM3406唯一的区别是如果EN引脚的引线足够长，位置较低，则LM3409将完全关闭。用LM3409也可实现并联分流FET调光。

　　表1列出的优缺点，标明使用LM3409器件进行混合调光所带来的好处。随着LED照明产业的发展，混合调光法将变得越来越受欢迎。

表 1 模拟调光和脉宽调制调光的优缺点

参数

模拟调光

脉宽调制 调光

设计难易度

控制器如果配备了模拟调光引脚，将更为容易。

需要一个处理器或定时开关来产生脉宽调制输入信号

相对成本

产生模拟输入信号相对更便宜

生成脉宽调制输入信号成本较高

色温偏移

调光时会产生色移现象

在整个调光过程中，色彩相对稳定。

调光范围

大部分的设计中调光范围都非常有限

可以获得非常高的相对比值

功效

在较低调光阶段比脉宽调制更好

在高峰值电流下功效更低

电磁兼容性

使用开关电源时，电磁兼容性一般

LED并联FET的硬边缘可以产生辐射或者热传导