切换式LED驱动器调光技术研究

在 LED 照明设备数量增长的趋势下，提供给 LED 受控电源的集成电路装置不断推陈出新。如何节省能源是目前全球的重要议题，而耗电的线性电流源早已不符合这项要求，因此切换式 LED 驱动器取而代之成为业界标准。从手电筒到体育馆计分板等各式应用都要求可准确控制调节电流。在许多实例中我们发现还需要可实时变更 LED 输出强度的机制。此功能就是所谓的“调光控制”。本文在于说明基本 LED 理论以及数种用于切换式 LED 驱动器的调光控制技术。

LED 亮度与色温

LED 亮度

测量 LED 可见光亮度的单位为光通量“强度”，烛光 (cd)。测量 LED 总电源输出的单位则为流明 (lm) 量。此外我们也必须了解平均正向 LED 电流会决定 LED 的亮度。

LED 色温

色温是一种度量方法，说明 LED 射出的光色彩，并且可在 LED 数据表上数量化这些信息。特定 LED 的色温将被指定于某范围内，而且会根据正向电流、接面温度以及使用时间的不同而有所变化。低色温的光线偏红黄(暖色温)，而较高数值的色温则偏蓝绿(冷色温)。许多有颜色的 LED 会指定主波长而取代指定色温，而且提供波长的位移量。

LED 调光方式

用来调节 LED 亮度的切换式驱动器电路有两种最常见的方式有两种：脉冲宽度调变调光 (PWM Dimming) 与模拟调光 (Analog Dimming)。这两种方式都是透过 LED 或 LED 灯串来控制平均电流，但是仔细比较这两种调光技术的优缺点时，我们可以发现其中的明显差异。

Vin 必须要高于 LED + RSNS 的总电压。电感器电流为 LED 电流。藉由监测 CS 接脚的电压就可调节电流。CS 开始降低至设定电压之下时，通过 L1 的电流脉冲工作周期(造成 LED 与 RSNS 增加)会增加平均LED 电流。为控制器的 CS 电压选择正确的 RSNS 就可设定 LED 电流。

模拟调光

LED 模拟调光意指调整每一周期 LED 电流。简单的说，这是一种调整“恒定”LED 电流层级的方式。只要调整电流感应电阻 RSNS，或是在 IC 的部份 DIM 功能接脚上驱动模拟电压，就可完成模拟调光。图 1 说明两种可能的模拟调光方式。

调整 RSNS 进行模拟调光

从图 1 可以得知 RSNS 的数值变更时，固定 CS 参考电压就会产生LED电流的改变。如果可以找到处理高 LED 电流的电位计，而且还有 sub-1 奥姆数值，就可使用此方法调整LED光线。

在 CS 接脚上驱动 DC 电压进行模拟调光

另一个较复杂的调光技术则是藉由驱动电压至CS接脚内，直接控制LED的每一周期电流。电压源通常会插入取样 LED 电流的回馈回路，并由放大器缓冲。放大器的增益可控制LED电流。有了这种回馈电路后，就可以执行电流与热保护机制等功能，进而保护LED。

模拟调光的缺点是射出光的色温可能会因为LED电流而有所变化。在LED色温达到临界的情形下，或是特定LED因为LED电流变化而显示色温有很大的变化时，无法改变LED电流来调整LED输出。

PWM 调光

PWM调光方式为 LED 电流在短时间内的实际启动与重新启动动作。启动–重新启动周期的频率必须快于人类肉眼所能看到的速度，避免造成灯光闪烁，一般而言，200Hz 或更快的频率是可被接受的频率。

这种 LED 调光对调光波长的工作周期为比例性的调整，是由以下的方程式决定：

IDIM-LED = DDIM X ILED

其中，IDIM-LED为平均 LED 电流，DDIM为调光波长的工作周期，而 ILED为额定 LED 电流设定搭配RSNS 选择。

调节LED驱动器

现在有许多 LED 驱动器拥有特殊的 PWM DIM 接脚，可接受较宽广范围的 PWM 频率与振幅，从而简易的与外部逻辑建立接口。DIM 功能仅会关闭输出驱动器，同时让内部电路继续运作，因此避免重新启动 IC 的延迟。我们也可以使用输出启动接脚与其他逻辑关闭的功能。

双线式 PWM 调光

双线式 PWM 调光是汽车内部照明所常用的调光方式。由于 VIN 调节至 VIN-NOMINAL 的 70% 以下，可侦测到电压的改变并将 PWM波长转换成输出驱动的相对应PWM。此方法的缺点在于转换器的电源必须包含可将PWM波长重迭至本身DC输出的电路。