隨著傳統(tǒng)照明到發(fā)光二極管(LED)的快速發(fā)展，以及越來越多的解決方案推向市場，消費者對于其選擇的產(chǎn)品越來越講究。特別具有對比度和無色度變化范圍大或可察覺閃爍的線性調(diào)光，被認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的標(biāo)志。

設(shè)計人員的難點在于，與傳統(tǒng)白熾燈或日光燈照明不同，要在保持光線質(zhì)量的同時對LED調(diào)光并非易事。雖可進行模擬調(diào)光，但這會造成明顯的色度和發(fā)射光“溫度”偏移。

一種現(xiàn)有技術(shù)是通過對驅(qū)動LED的正向電流進行脈沖寬度調(diào)制(PWM)，來進行LED調(diào)光。其基本前提是，在PWM串的“導(dǎo)通”周期中，LED在最佳正向電流/正向電壓條件下工作。因此，光線質(zhì)量好，并且感受到的亮度與PWM串的占空比成線性比例。

設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)在于設(shè)計能與模塊化開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器協(xié)調(diào)工作的PWM電路，這種轉(zhuǎn)換器通常用作LED電源，即“驅(qū)動器”。若不采用這種補充方法，則很容易造成諸如電磁干擾(EMI)、有限對比度（最大亮度/最小亮度）和可察覺的閃爍（這會影響到健康）等問題。

本文基于目前各種LED驅(qū)動器考慮PWMLED調(diào)光電路的設(shè)計，并重點介紹實現(xiàn)不影響光線質(zhì)量的解決方案所需的設(shè)計步驟。

模擬調(diào)光的缺點

LED需要恒流/恒壓電源，才能以良好的光線質(zhì)量保持高效工作。（光線質(zhì)量已成為關(guān)鍵產(chǎn)品區(qū)分因素、以及主要供應(yīng)商完善其終端產(chǎn)品的努力方向。請參閱資料庫文章《廠商開始關(guān)注光線質(zhì)量以增加LED市場份額收益》。）

可以在一定程度上根據(jù)最終產(chǎn)品規(guī)格靈活選擇工作點。例如，LED的光通量與正向電流成比例，因此設(shè)計人員可以選擇以較高正向電流驅(qū)動LED，以提升亮度，從而減少給定設(shè)計規(guī)格所需的LED數(shù)量。（請參閱資料庫文章《最佳亮度的照明設(shè)計》。）

圖1顯示OSRAMOptoSemiconductors的DurisS5E白光LED的正向電流與亮度特點。OSRAM器件基于成熟的技術(shù)，是主流照明應(yīng)用的普遍選擇。這種LED在6.35V/150mA條件下可產(chǎn)生118lm，在該工作點下的效率據(jù)稱可達(dá)到123lm/W。例如，相比150mA時產(chǎn)生的亮度，將正向電流降低到100mA可將亮度調(diào)低30%。

圖1：OSRAMDurisS5E白光LED在正向電流和亮度之間近乎呈線性關(guān)系。

熟悉白熾燈照明調(diào)光的消費者自然需要LED替代品的類似功能。這些功能的亮點在于可在較廣的亮度范圍內(nèi)進行精細(xì)分辨率調(diào)光。顯然，滿足該需求的簡單方法是設(shè)計一種模擬調(diào)光電路，該電路可通過LED電源或“驅(qū)動器”來降低驅(qū)動LED工作的正向電壓/正向電流。

遺憾的是，模擬調(diào)光法存在一些明顯的缺點。其中主要有能效影響（輸出(lm)/輸入功率(W)）、由于最小正向電流閾值造成的受限對比度、精確控制典型LED驅(qū)動器較大范圍輸出電流的設(shè)計復(fù)雜度增加，以及影響最大的是，LED的相關(guān)色溫(CCT)隨正向電壓/正向電流變化而變化。

CCT決定了LED的表面熱度，是光線質(zhì)量的關(guān)鍵衡量指標(biāo)。減小正向電壓/正向電流，將對當(dāng)今大多數(shù)“白光”LED產(chǎn)品核心中的藍(lán)色LED發(fā)出的光線波長產(chǎn)生微妙的影響?，F(xiàn)代照明應(yīng)用的高亮度LED結(jié)合了含釔鋁石榴石(YAG)磷光體的寶藍(lán)色LED。部分LED的藍(lán)光子直接從器件中逸出，而大多數(shù)與形成（主要是）黃光的磷光體相結(jié)合。藍(lán)光與黃光的組合與白光近似。

LED廠商隨后會對磷光體稍作改動，將白光的“溫度”從冷（偏藍(lán)）色調(diào)修改為暖（黃）陰影，從而讓制造商可提供各種顏色選擇，以適應(yīng)個人喜好。CCT從數(shù)量上定義了LED光的溫度。（請參閱資料庫文章《定義白光LED的色彩特征》。）

廠商規(guī)定了LED在特定正向電壓/正向電流工作點下的CCT。設(shè)計人員從特定CCT“分檔”中選擇LED，他們知道從該分檔中選擇的所有產(chǎn)品都將發(fā)出幾乎相同的CCT。雖然領(lǐng)先制造商通常還提供CCT如何隨正向電壓/正向電流變化的信息，但他們并不保證特定產(chǎn)品在超出推薦參數(shù)以外的工作點的性能。尤其是，LED制造商不保證來自相同分檔的器件在建議工作點以外的任何點產(chǎn)生相同的CCT。圖2說明了OSRAMLED的色度坐標(biāo)（決定其CCT）如何隨正向電流變化。

圖2：LED的色度和CCT隨正向電壓變化。在較大范圍的正向電流中，可以通過肉眼觀察這些變化。

然而糟糕的是，肉眼并不擅長觀察細(xì)微顏色變化（例如，純紅色、綠色或藍(lán)色LED發(fā)出的光子波長差異在被發(fā)現(xiàn)之前會顯著變化），但對CCT變化非常敏感。因此，消費者完全有可能會注意到由來自相同分檔的LED驅(qū)動的兩個裝置在相同程度的模擬調(diào)光下顏色變化比較大。（請參閱資料庫文章《數(shù)字調(diào)光解決LED顏色難題》，以獲取本主題的詳細(xì)技術(shù)說明。）

用PWM調(diào)光解決CCT挑戰(zhàn)

近年來，PWM被用作優(yōu)質(zhì)LED照明的首選調(diào)光技術(shù)。在PWM串的“導(dǎo)通”周期中，LED在推薦的正向電壓/正向電流工作點下被驅(qū)動—確保CCT在規(guī)格書的參數(shù)范圍內(nèi)。PWM串占空比（脈沖時長(tP)與信號周期(T)之比）決定平均電流，從而決定感受到的亮度。

圖3顯示了三種不同的脈沖串，它們都在恒定正向電流下工作。頂部示例顯示的是中等照明，中間示例較暗，底部示例則較亮。圖4顯示了占空比與正向電壓之間的線性特征。

圖3：改變PWM脈沖串占空比可改變LED平均正向電流以及亮度（自上：中、低、高亮度），同時在導(dǎo)通期間保持特定工作電流。

圖4：占空比與LED亮度線性相關(guān)。

來自主要供應(yīng)商的現(xiàn)代LED驅(qū)動器已經(jīng)設(shè)計有PWM調(diào)光功能。許多芯片采用PWM或DIM引腳實現(xiàn)從PWM發(fā)生器的直接輸入，以確定驅(qū)動器的導(dǎo)通、關(guān)斷周期。但是，仔細(xì)權(quán)衡LED驅(qū)動器的選擇將獲益匪淺，因為其中有一些關(guān)鍵因素可區(qū)分優(yōu)秀和不良LED數(shù)字調(diào)光設(shè)計。

一個關(guān)鍵考慮因素是PWM串的頻率（即fDIM）。fDIM的最小值由肉眼對閃爍的靈敏度決定。近期的照明設(shè)計指南指出，如果不產(chǎn)生長期健康影響，則fDIM應(yīng)當(dāng)大于80-100Hz。（請參閱資料庫文章《新的閃爍建議將如何影響LED照明設(shè)計》。）

然而設(shè)計人員需要進行權(quán)衡，因為頻率越高，對比度影響就越大。這是因為即使最好的LED驅(qū)動器也需要特定時間來響應(yīng)PWM輸入。圖5說明了什么情況下出現(xiàn)這些時間延遲。

圖5：LED驅(qū)動器在響應(yīng)調(diào)光PWM信號時產(chǎn)生的延遲。這些延遲決定了調(diào)光系統(tǒng)的最大對比度。

在圖5中，tD表示從PWM信號(VDIM)變高的時間到驅(qū)動LED的正向電流響應(yīng)時間的傳播延遲。（tSU和tSD分別是LED正向電流轉(zhuǎn)上和轉(zhuǎn)下時間。）壓擺率限制最小和最大占空比（DMIN和DMAX），以及對比度。

降低fDIM一般會提高對比度，這是因為T相對較長，即使對于低占空比，固定壓擺率的LED驅(qū)動器有充足的時間達(dá)到所需的正向電流/正向電壓，然后回落到零。

（注意，對于任何PWM調(diào)光頻率選擇，最好選擇具有有限壓擺的LED驅(qū)動器，因為LED的開啟時間可使它在PWM信號的前沿過早點亮（因此正向電壓/正向電流超出規(guī)格），使得消費者面臨困擾模擬調(diào)光的相同CCT變化。）

對比率(CR)通常以最小導(dǎo)通時間的倒數(shù)表示：

常規(guī)用途的標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)穩(wěn)壓器并非設(shè)計用于反復(fù)開關(guān)，因此廠商很少關(guān)注壓擺。許多情況下，這些穩(wěn)壓器還具備軟啟動和軟關(guān)斷模式（以防電壓尖峰），它可延長壓擺。相比而言，調(diào)光應(yīng)用的LED驅(qū)動器則設(shè)計為較短的壓擺時間。

由于兩個不同原因，基于開關(guān)式降壓調(diào)壓器的LED驅(qū)動器具有最短的壓擺時間。首先，降壓穩(wěn)壓器在開關(guān)導(dǎo)通時向輸出提供電源，使控制回路比“升壓”或“降壓-升壓”拓?fù)涓?。其次，降壓穩(wěn)壓器的電感器在整個開關(guān)周期中連接到輸出，確保連續(xù)輸出電流，且無需輸出電容器。不使用電容器使得驅(qū)動器的輸出電壓/電流非常快速地轉(zhuǎn)換。[1]仔細(xì)挑選降壓穩(wěn)壓器能實現(xiàn)kHz范圍的PWM調(diào)光頻率，雖然可能對于主流照明并沒有必要，但對于工業(yè)圖像識別任務(wù)的高速選通等應(yīng)用卻大有益處。

設(shè)計PWM調(diào)光LED電源

有三種方法可以設(shè)計帶PWM調(diào)光的LED電源：用單獨的元器件重新開發(fā)電路；匹配帶PWM輸入的降壓LED驅(qū)動器和PWM電路；或者用專用PWM發(fā)生器更換PWM電路。

第一種方法不適用于資金緊張的情況，但如果預(yù)算和空間情況良好，也可以采用。我們現(xiàn)在看看其他兩種方法，它們基于一些來自各大主要供應(yīng)商的成熟集成模塊化電源管理設(shè)備。

TexasInstruments提供一種簡單但相對昂貴的PWM可調(diào)光解決方案，它集成了LED驅(qū)動器控制功能，設(shè)計人員可靈活選擇用于驅(qū)動LED的外部MOSFET。LM3421是一款適用于LED電源的高壓N溝道MOSFET控制器。該芯片可在降壓、升壓、降壓-升壓和單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)拓?fù)渲信渲谩?/p>

在本文特定背景下，LM3421集成了可用于調(diào)光的nDIM引腳。TI推薦了兩種調(diào)光方法，第一種使用通過肖特基二極管實現(xiàn)的反相PWM脈沖串(DDIM)，第二種使用通過調(diào)光MOSFET應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)PWM信號(QDIM)。如果應(yīng)用需要高PWM頻率和良好對比度，第二種方法很有用，因為它可加速LED驅(qū)動器控制器的壓擺率。圖6顯示了LM3421的PWM調(diào)光選項。

圖6：TI推薦了兩種可用于其LM3421LED驅(qū)動器控制器的PWM調(diào)光技術(shù)，使用肖特基二極管，或為需要更高PWM頻率的應(yīng)用使用MOSFET。

就其本身而言，MaximIntegrated最近引入了帶內(nèi)置調(diào)光功能的LED驅(qū)動器，無需外部元器件，并且禁用PWM信號發(fā)生器。MAX16819是一款在4.5V至28V輸入范圍內(nèi)工作的降壓LED驅(qū)動器，并帶有5V/10mA板載穩(wěn)壓器。采用上述TI器件后，該芯片的DRV輸出設(shè)計為可為外部MOSFET供電，它連接到LED并有助于減少壓擺。

該芯片的主要特性在于其滯后控制算法，MaximIntegrated宣稱可確保PWM調(diào)光工作期間的快速響應(yīng)，并能實現(xiàn)高達(dá)20kHz的PWM頻率，以滿足要求該頻率的應(yīng)用。該器件具有高達(dá)2MHz的開關(guān)頻率，因此能讓設(shè)計人員選擇緊湊的外部元器件。圖7顯示了驅(qū)動LED的正向電流如何快速響應(yīng)調(diào)光電壓變化。

圖7：MaximIntegrated的MAX16819采用滯后控制算法，該算法可加速對PWM調(diào)光輸入的響應(yīng)。該圖闡明了LED電流400mA、50%占空比時的系統(tǒng)響應(yīng)。

對于高端（但顯然更昂貴）解決方案，LinearTechnology提供LT850048通道LEDPWM發(fā)生器。該芯片可與該公司產(chǎn)品中的三款LT359516通道降壓模式LED驅(qū)動器組合，用于PWM可調(diào)光照明解決方案，該方案在電流達(dá)到50mA時能為480個LED供電。

LT3595A是降壓LED驅(qū)動器，設(shè)計用于驅(qū)動16個獨立通道，每個通道最多十個LED。該芯片集成了開關(guān)、肖特基二極管和補償元器件，以減少電路基底面并降低元器件成本。該芯片在4.5V至45V輸入范圍內(nèi)運行，在2MHz開關(guān)頻率下工作（允許使用小電感器和電容器）。

通過將PWM輸入應(yīng)用到16個單獨的PWM引腳，為每個通道控制調(diào)光。該器件具有快速轉(zhuǎn)上和轉(zhuǎn)下壓擺率，最大對比度為5000:1。

LT8500LEDPWM發(fā)生器在3V至5.5V輸入下工作，具有48個獨立通道，可用于直接控制三個LED驅(qū)動器。每個通道有單獨的可調(diào)節(jié)PWM寄存器。

LT8500可以獨立調(diào)節(jié)每個通道的亮度。12位PWM寄存器–可通過簡單串行數(shù)據(jù)接口編程–可實現(xiàn)4095種最大LED輸出0-99.98%的不同亮度等級。圖8顯示了如何配置LT8500以驅(qū)動三個LT3595A降壓LED驅(qū)動器。注意，RSET電阻器設(shè)置各LED驅(qū)動器上所有16個通道的LED電流。

圖8：LinearTechnology的LT8500可為三個LT3595降壓LED驅(qū)動器提供PWM調(diào)光輸入。反過來，每個驅(qū)動器可為最多160個LED供電。（根據(jù)LinearTechnology提供的原圖，用Digi-KeyScheme-it繪制的原理圖。）