詳解LED PWM調光技術及設計注意點

　　加速調光頻率 PWM實現精準LED調光

　　無論LED是經由降壓、升壓、降壓/升壓或線性穩壓器驅動，連接每一個驅動電路最常見的線程就是須要控制光的輸出?，F今僅有很少數的應用只需要開和關的簡單功能，絕大多數都需要從0～100%去微調亮度。目前，針對亮度控制方面，主要的兩種解決方案為線性調節LED的電流（模擬調光）或在肉眼無法察覺的高頻下，讓驅動電流從0到目標電流值之間來回切換（數字調光）。利用脈沖寬度調變（PWM）來設定循環和工作周期可能是實現數字調光的最簡單的方法，原因是相同的技術可以用來控制大部分的開關轉換器。

　　PWM調光能調配準確色光

　　一般來說，模擬調光比較容易實行，這是因為LED驅動器的輸出電流變化與控制電壓成比例，而且模擬調光也不會引發額外的電磁兼容性（EMC）/電磁干擾（EMI） 潛在頻率問題。然而，大部分設計采用PWM調光的理由都是基于LED的基本特性，即放射光的位移是與平均驅動電流的大小成比例（圖1）。對于單色LED來說，主要光波的波長會發生變化，而在白光LED方面，出現變化的是相對色溫（CCT）。對于人們的肉眼來說，很難察覺出紅、綠或藍光LED中的奈米波長變化，尤其是當光的強度也同樣在改變，但是白光的色溫變化則比較容易察覺出來。大多數的白光LED都包含一片可放射出藍光頻譜光子的晶圓，這些光子在撞擊磷光涂層后便會放射出各種可見光范圍內的光子。在較小的電流下，磷光會成為主導并使光線偏向黃色；而在較大電流下，LED放射出來的藍光則較多，使得光線偏向藍色，同時也會產生較高的CCT。對于使用超過一個白光LED的應用，在兩個相鄰LED之間出現的CCT差異會很明顯，且視覺令人不悅，此概念可以進一步延伸將多個單色LED光線混和在一起的光源。一旦超過一個光源，任何出現在它們之間的CCT差異都會令人感到刺眼。

　　圖1　采用PWM調光的LED驅動器及波形

　　LED 制造商會在其產品的電流特性表中指定驅動電流的大小，其只會在這些特定電流條件下對產品的主波長或CCT提供保證。PWM調光的優點在于完全毋須考慮光的強弱，也能確保LED放射出設計人員所需的顏色。這種精確的控制對于紅綠藍（RGB）應用尤其重要，因為這些應用是將不同顏色的光線混和以產生白光。

　　從驅動器集成電路的角度看，模擬調光面臨著輸出電流準確性的嚴峻挑戰。幾乎所有的LED驅動器都在輸出端加入某種形式的串行電阻來偵測電流，而所選用的電流感測電壓VSNS會產生一個協調作用，使電路能保持高信號信噪比（SNR），同時維持低功耗，由驅動器中的容限度、偏移和延遲所引致的誤差則相對保持固定。要在封閉回路系統中降低輸出電流，就必須要調降VSNS，但如此一來，輸出電流的準確性便會下降，直至VSNS的絕對值等于誤差電壓為止，最后，輸出電流會變得無法控制，目標輸出電流將不能被確定或保證。一般來說，PWM調光除了可以提高準確性之外，對于低階光輸出的線性控制也較模擬調光強。

　　調光頻率與對比度成反比

　　對于PWM調光信號而言，每個LED都有限定的響應時間，圖2表示三種不同的延遲，延遲愈大者表示能達到的對比度就愈低（對光強度控制的一種測量方法）。

　　圖2　調光延遲

　　圖2中的時間量tD表示由邏輯信號VDIM上升開始，至LED驅動器開始增加輸出電流開始之間的傳播延遲，而時間量tSU則表示輸出電流由0轉換到目標電流所需的時間，至于時間量tSD代表輸出電流從目標電流轉換回0所需的時間。在大多數的情況下，調光頻率fDIM愈低，對比度就愈高，這是因為這些固定延遲只會占用少部分的調光周期TDIM。調光頻率fDIM的下限約為120Hz，假如低于此頻率，眼睛便不能再將脈沖混和成一個可見的連續光線。至于上限則取決于最低對比度的要求，對比度一般被表示成最低導通時間的倒數。

　　CR＝1 / tON-MIN：1

　　tON-MIN ＝tD＋tSU

　　機械視覺辨識和工業檢驗等應用通常都需要較高的PWM調光頻率，主因為高速攝影機和傳感器的反應速度比人類眼睛快很多。在這類應用中，對于LED光源進行高速開和關的目的不是要降低平均的光輸出量，而是要將光輸出與傳感器或攝影機的捕捉時間進行同步化。