開關模式LED驅動器的調光技術

引言

　　LED發出的可見光的亮度概念相當容易理解。

　　LED調光方法

　　對開關模式驅動電路的LED進行 調光有兩種常用方法：脈寬調制調光和模擬調光。兩種方法都對經過LED 或LED串的時間平均電流進行控制，但在衡量兩種調光電路的優缺點時，兩者之間的差異也很明顯。

　　圖1顯示采用降壓拓撲的一個 LED驅動器。Vin必須始終高于LED 和RSNS上的電壓之和。電感電流為LED電流。該電流通過監控CS引腳的電壓進行調節。當CS開始低于設置的電壓時，流經 L1、LED和RSNS的電流脈沖的占空比增加，從而增加LED的平均電流。

　　模擬調光

　　LED的模擬調光是對LED電流的每個周期進行調整。更簡單地說，它是不斷調整 LED的電流水平。

　　模擬調光可以通過調整電流檢測電阻 RSNS，或用模擬電壓驅動IC的某個調光功能引腳來完成。圖1顯示了模擬調光的兩個示例。

a.通過調整RSNS進行模擬調光

　　從圖1可以明顯看出使用固定CS 參考電壓時，RSNS值的變化將對應 LED電流的變化。如果可以找到能夠處理高LED電流，同時還可以提供 sub-1歐姆值的電位器，這將是LED調光的一個可行的方法。

　　b.通過用直流電壓驅動CS引腳實現模擬調光

　　更復雜的技術是通過用電壓驅動CS引腳直接控制LED每個周期的電流。通常將電壓源插入采樣LED電流的反饋回路，并通過放大器進行緩沖。LED電流可以通過放大器的增益進行控制。使用該反饋電路，可以實現電流和熱量返送之類的功能，以便進一步保護LED。

　　模擬調光的缺點在于發出光線的色溫會隨著LED電流的某個函數發生變化。當LED的顏色至關重要，或特定LED的色溫在LED電流變化時發生很大改變的情況下，通過改變LED電流，從而對LED的輸出進行調光將被禁止。

　　PWM調光

　　PWM調光方法，實際上是在一小段時間內啟動和重新啟動LED電流。這個啟動和重新啟動循環的頻率必須快于人眼可以感知的速度，以免出現閃爍效果，通常情況下可以被接受的頻率為大約200Hz或更快。

　LED的調光現在與調光波形的占空比成正比，可由下面的公式控制：

　　IDIM-LED=DDIM×ILED

　　其中 IDIM-LED是LED平均電流，DDIM 是調光波形的占空比，ILED是當選擇如圖 3 所示的 RSNS 時，額定 LED的 電流設置。

　　a.調制 LED 驅動器

　　許多現代LED驅動器具有專門的 PWM DIM引腳，可以接受較寬范圍的PWM頻率和振幅，從而與外部邏輯的接口變得非常簡單。DIM功能在關閉輸出驅動電路的同時，使內部電路繼續工作，從而避免重新啟動IC造成的延遲。也可以使用輸出啟用引腳及其它邏輯關閉功能。

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b.雙線PWM調光

　　雙線PWM調光是用于汽車內部照明的常見方法。當VIN被調制為低于 VIN-NOMINAL的 70% 時，VINS引腳(圖2)檢測電壓的變化，并將PWM波形轉換為和輸出驅動電路相應的PWM。這種方法的缺點是轉換器的電源必須包含一個電路，以便為其直流輸出提供 PWM 波形。

　　c.使用分流器的快速 PWM 調光

　　因為轉換器輸出的關閉和啟動的延遲，對PWM 調光頻率和占空比的范圍就具有了限制。為了幫助克服這種延遲，可以給LED或LED串并聯一個外部分流器(如圖3中所示的 FET)，以便使轉換器的輸出電流快速繞過LED。電感中的電流在“LED關閉期間”保持連續狀態，避免了電感基礎電流上升和下降時的較長延遲。延遲時間現在變為對分流器上升和下降時間的限制。圖3顯示裝有分流器FET的LM3406，以及使用DIM功能引腳與使用分流器FET時LED開/關延遲的比較圖形。在這兩種測量方法中，使用的輸出電容均為10nf，分流器FET為Si3458。

　　對電流模式轉換器的LED電流進行分流時應小心謹慎，因為當FET打開時，輸出電流會出現過沖。LM340x系列LED驅動器屬于接通時間受控轉換器，不會出現這種過沖。LED 的輸出電容應保持較低狀態，從而盡可能提高開/關/開過渡速度。

　　快速調光與關閉輸出的缺點在于效率的損失。當分流器打開時，VShunt device×ILED的功耗轉化為熱量。使用低 RDS-ON FET將最大限度地減少這種效率損失。

　　LM3409多種調光功能

　　美國國家半導體的LM3409是一種獨一無二的LED驅動器，可以輕松實現模擬和 PWM調光功能。在此部件上可以有四種方法實現LED調光：

　　1. 直接使用0V至1.24V的電壓源驅動IADJ引腳實現模擬調光;

　　2. 通過在IADJ引腳與Gnd之間放置電位器實現模擬調光;

　　3. 使用Enable引腳實現PWM調光;

　　4. 通過外部分流器FET實現PWM調光。

LM3409通過連接電位器實現模擬調光。內部5mA電流源在RADJ上產生電壓，該電壓反之改變內部電流檢測閾值。使用直流電壓直接驅動IADJ 引腳可以獲得同樣效果。

　　圖4顯示了測得的LED電流與IADJ引腳和Gnd之間的電位器電阻的關系圖。1Amp處的平頂表示最大額定LED電流，該值由圖4中所示的電流檢測電阻 RSNS設置。

　　圖 5將測得的LED電流顯示為IADJ引腳上的驅動直流電壓的函數。請注意RSNS設置了相同的最大LED電流。

兩種模擬調光選項均可輕松實現并提供線性極強的調光性能，直到低至最大值10%左右的水平。

　　結語

　　有許多方法可以針對開關模式穩壓器供電的LED進行調光。兩類主要的方法：PWM和模擬法均各有利弊。PWM調光可以顯著減少LED的顏色變化，與此同時，讓亮度水平發生變化，但前提是需要添加邏輯電路來產生PWM波形。模擬調光的電路更加簡單，但可能不適合那些要求恒定色溫的應用。