1、前言

如今電源管理技術(shù)的發(fā)展趨勢是,，以太網(wǎng)供電技術(shù)巨大市場近在咫尺，電源IC應(yīng)身兼多職，電源轉(zhuǎn)換IC集成LDO和DC/DC轉(zhuǎn)換器,，LED/LCD/OLED驅(qū)動(dòng)器以及其他的功率半導(dǎo)體器件和電源模塊。而本文僅對LED/LCD/OLED驅(qū)動(dòng)器中的調(diào)光控制技術(shù)作研討,。這是因?yàn)長ED推動(dòng)了照明革命,。LCD背光仍是主要LED應(yīng)用，其LED已經(jīng)被用于各種室內(nèi)及室外裝飾照明應(yīng)用,，而且開始著眼于手電,、花園燈和街燈等通用照明應(yīng)用。這些用途為LED照明正在家庭與企業(yè)照明領(lǐng)域開辟市場,。LED通用照明的未來是發(fā)光效率超過100 lm/W的高通量LED的開發(fā),，使得LED不需要逆變器就能利用交流電工作，從而推動(dòng)LED更加接近主流的通用照明市場,。因而背光照明的亮度控制是LED照明革命中的重要技術(shù),，于是便有下文所述的LED照明亮度控制的新技術(shù)特征與應(yīng)用的分析介紹。

2,、背光照明亮度控制的拓?fù)?/span>

背光照明亮度控制的拓?fù)浼凑{(diào)光方法,，包括使用低頻和高頻信號進(jìn)行脈寬調(diào)制(PWM)、直流電壓控制及電阻調(diào)光等調(diào)光技術(shù),，以下僅介紹直流電壓控制及PWM調(diào)制技術(shù),。

2.1直流電壓調(diào)光

圖1是以ZETEX的ZXLD1350驅(qū)動(dòng)器為例的典型直流電壓調(diào)光示意圖。

ZXLD1350驅(qū)動(dòng)器是連續(xù)電感式降壓轉(zhuǎn)換器,，內(nèi)置多開關(guān)而輸出電流達(dá)350mA,，輸入電壓范圍在7V至30V之間。其特點(diǎn)是ZXLDl350配備多功能的調(diào)節(jié)腳,，可通過控制LED的電流,，以多種方式調(diào)節(jié)LED的亮度,。

圖1：直流電壓調(diào)光示意圖

TLV431作為分路調(diào)節(jié)器,，以產(chǎn)生外置的1.25V電壓基準(zhǔn)。此電壓基準(zhǔn)被運(yùn)用至VRl電位以提供0V-1.25V的調(diào)光電壓,。使用外置的調(diào)節(jié)器,，將影響電流設(shè)定的準(zhǔn)確性。相對于內(nèi)置電壓基準(zhǔn),，使用1%電壓基準(zhǔn),，使LED電流更加準(zhǔn)確。

調(diào)節(jié)針可通過外置的直流電壓(VADJ)進(jìn)行過驅(qū)動(dòng),，以獲得超過內(nèi)置的電壓基準(zhǔn),，并調(diào)整輸出電流使其超出或低于額定值。此時(shí)的額定輸出電流為：

摘要：隨著LED應(yīng)用的不斷增加,，大功率LED的驅(qū)動(dòng)控制日顯重要,。本文分析介紹了LED照明亮度控制的新技術(shù)特征與應(yīng)用,。

1、前言

如今電源管理技術(shù)的發(fā)展趨勢是,，以太網(wǎng)供電技術(shù)巨大市場近在咫尺,，電源IC應(yīng)身兼多職，電源轉(zhuǎn)換IC集成LDO和DC/DC轉(zhuǎn)換器,，LED/LCD/OLED驅(qū)動(dòng)器以及其他的功率半導(dǎo)體器件和電源模塊,。而本文僅對LED/LCD/OLED驅(qū)動(dòng)器中的調(diào)光控制技術(shù)作研討。這是因?yàn)長ED推動(dòng)了照明革命,。LCD背光仍是主要LED應(yīng)用,，其LED已經(jīng)被用于各種室內(nèi)及室外裝飾照明應(yīng)用，而且開始著眼于手電,、花園燈和街燈等通用照明應(yīng)用,。這些用途為LED照明正在家庭與企業(yè)照明領(lǐng)域開辟市場。LED通用照明的未來是發(fā)光效率超過100 lm/W的高通量LED的開發(fā),，使得LED不需要逆變器就能利用交流電工作,，從而推動(dòng)LED更加接近主流的通用照明市場。因而背光照明的亮度控制是LED照明革命中的重要技術(shù),，于是便有下文所述的LED照明亮度控制的新技術(shù)特征與應(yīng)用的分析介紹,。

2、背光照明亮度控制的拓?fù)?/span>

背光照明亮度控制的拓?fù)浼凑{(diào)光方法,，包括使用低頻和高頻信號進(jìn)行脈寬調(diào)制(PWM),、直流電壓控制及電阻調(diào)光等調(diào)光技術(shù)，以下僅介紹直流電壓控制及PWM調(diào)制技術(shù),。

2.1直流電壓調(diào)光

圖1是以ZETEX的ZXLD1350驅(qū)動(dòng)器為例的典型直流電壓調(diào)光示意圖,。

ZXLD1350驅(qū)動(dòng)器是連續(xù)電感式降壓轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置多開關(guān)而輸出電流達(dá)350mA,，輸入電壓范圍在7V至30V之間,。其特點(diǎn)是ZXLDl350配備多功能的調(diào)節(jié)腳，可通過控制LED的電流,，以多種方式調(diào)節(jié)LED的亮度,。

圖1：直流電壓調(diào)光示意圖

TLV431作為分路調(diào)節(jié)器，以產(chǎn)生外置的1.25V電壓基準(zhǔn),。此電壓基準(zhǔn)被運(yùn)用至VRl電位以提供0V-1.25V的調(diào)光電壓,。使用外置的調(diào)節(jié)器，將影響電流設(shè)定的準(zhǔn)確性,。相對于內(nèi)置電壓基準(zhǔn),，使用1%電壓基準(zhǔn)，使LED電流更加準(zhǔn)確。

調(diào)節(jié)針可通過外置的直流電壓(VADJ)進(jìn)行過驅(qū)動(dòng),，以獲得超過內(nèi)置的電壓基準(zhǔn),，并調(diào)整輸出電流使其超出或低于額定值。此時(shí)的額定輸出電流為：

請注意,，100%的亮度設(shè)定與VADJ=VREF相對應(yīng),。如果VIN達(dá)到最大值2.5V，則RSENSE應(yīng)增加2倍,。這將使功率小幅降低1%到2%,。調(diào)節(jié)針的輸入阻抗為200kV+20%。如果直流電壓的輸出阻抗相對較高,，可能有所影響,。

2.2新的調(diào)光技術(shù)--PWM調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用

LED發(fā)出光的波長與器件內(nèi)被驅(qū)動(dòng)的正向電流關(guān)系密切。為了防止色調(diào)變化,，須精心選擇調(diào)光方法,。以往最常用的調(diào)光方法是改變器件上的正向電流或電壓。不幸的是電流或電壓的變化都會改變光的波長,，這種效應(yīng)與波長成正比,，較長的波長經(jīng)受的色調(diào)對電流的變化最強(qiáng)。在很多應(yīng)用中,，這種結(jié)果是不能接受的,，如果采用PWM調(diào)制技術(shù)，就可以給LED正確調(diào)光,，不會引起波長變化,。LED的通斷操作是通過改變占空比實(shí)現(xiàn)的，這時(shí)正向電流(1F)是恒定電流,。

2.2.1低頻高頻調(diào)光應(yīng)用

⑴低頻調(diào)光,。由于LED具備穩(wěn)定的瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)電流，因而適合采用低頻凋光,。LED的色溫在所有亮度下保持不變,。低頻調(diào)光的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可將亮度降至1%。因此調(diào)光范圍為100：1,。而頻率選擇是為避免可見閃爍,， PWM信號必須大于100Hz。如果所選的頻率過高,，內(nèi)置低通濾波器將開始合并PWM信號，并產(chǎn)生非線性反應(yīng),。同時(shí)調(diào)節(jié)針的軟啟動(dòng)功能將導(dǎo)致PWM信號的上升或下降發(fā)生延遲,。這將使LED電流具有非線性特性，在頻率增加時(shí)影響更為顯著。

常見的低頻和高頻信號進(jìn)行脈寬調(diào)制示意圖如圖2所示,。該圖是以ZETEX的ZXLD1350驅(qū)動(dòng)器為例的脈寬調(diào)制示意圖,。

圖2：以ZXLD1350驅(qū)動(dòng)器為例的脈寬調(diào)制示意圖

建議低頻的上限為lkHz。電感器可能聽得見的噪音的影響也需要加以考慮,。某些線圈松動(dòng)的電感器可能出現(xiàn)此類情況,，PWM頻率為lkHz時(shí)將比100Hz更加明顯。

⑵高頻調(diào)光

如果系統(tǒng)要求低輻射和輸入/輸出諧波,，則適合采用高頻調(diào)光,。但調(diào)光范圍將降至5:l。ZXLDl350具備整合高頻PWM信號的內(nèi)置低通濾波器,，可進(jìn)行直流調(diào)光控制,。如果PWM頻率高于10kHz左右，且占空比大于指定的最小值,，裝置將保持工作狀態(tài),，輸出也將持續(xù)不變。

⑶輸入緩沖晶體管

進(jìn)行PWM調(diào)光時(shí),，輸入雙極晶體管Q宜使用集電極開路輸出(如圖2所示),。以確保達(dá)到200mV的輸入關(guān)閉閾值。不使用緩沖晶體管也可直接進(jìn)行PWM控制,，但必須格外謹(jǐn)慎,。該操作將使內(nèi)置的1.25V電壓基準(zhǔn)負(fù)荷過重。如果100%PWM(直流)使用2.5V輸入電壓,，進(jìn)入LED的輸出電流將達(dá)到正常電流的2倍,。并可能損壞ZXLDl350。使用5V邏輯信號進(jìn)行過驅(qū)動(dòng)將極有可能在超出調(diào)節(jié)針額定電壓時(shí)損壞裝置,。

⑷軟啟動(dòng)及去耦電容器

調(diào)節(jié)針上的任何附加電容器都將影響PWM信號上升和下降,。由于上升時(shí)間將增加大約0.5ms/nF，因此需對此加以考慮,。將其與100Hz PWM進(jìn)行對比,，50%占空比時(shí)開啟時(shí)間Ton，及關(guān)閉時(shí)間Toff為5ms,，1%占空比時(shí)開啟時(shí)間Ton為0.1ms,。調(diào)節(jié)針上的lnF將導(dǎo)致0.5ms的上升時(shí)間，這將造成以低占空比進(jìn)行調(diào)光時(shí)出錯(cuò)和受到限制,。

2.2.2利用線性以及PWM輸入信號準(zhǔn)確控制亮度

該方案是采用高度整合的技術(shù),。其特點(diǎn)是效率較高而且功耗較低，所需的外置組件也最少并可準(zhǔn)確控制溫度/亮度,。而新型LM3402/02HV開關(guān)穩(wěn)壓器可以能滿足這方面技術(shù)的需要,，圖3所示為LM3402/02HV開關(guān)穩(wěn)壓器的應(yīng)用示意圖。

圖3中的LM3402/02HV開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)有專用的亮度控制(DIM)接腳，可以利用線性以及PWM輸入信號準(zhǔn)確控制亮度,。利用發(fā)光二極管發(fā)光的照明系統(tǒng)普遍采用PWM的光暗控制方式控制燈光亮度,，這個(gè)亮度控制方法已成為業(yè)界普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)。只要調(diào)節(jié)正向發(fā)光二極管的電流,，發(fā)光二極管的光線輸出量便會按照線性方式增減,，但大部分光線的波段會出現(xiàn)偏移現(xiàn)象。部分應(yīng)用對顏色的要求并不十分嚴(yán)格,，因此仍會采用線性的亮度控制方式,，但汽車燈如煞車燈、液晶顯示器背光以及直接顯示的RGB發(fā)光二極管對亮度及色彩都有極嚴(yán)格的要求,，因此這類應(yīng)用一般都會采用PWM方式控制亮度,。

圖3：LM3402/02HV開關(guān)穩(wěn)壓器的應(yīng)用示意圖

LM3402/02HV開關(guān)穩(wěn)壓器特征如下：輸入電壓范圍 6V～75V，采用降壓穩(wěn)壓器的線路布局,；可為發(fā)光二極管提供恒定的驅(qū)動(dòng)電流,，回授電壓為200mV；當(dāng)RON接腳處于低電位時(shí),，停機(jī)電流便會進(jìn)一步降低,；準(zhǔn)確的PWM亮度控制；開關(guān)頻率高達(dá)1MHz,；設(shè)有磁滯功能,，而且導(dǎo)通時(shí)間固定。因此,，可以在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)進(jìn)行開關(guān)頻率(FSW)控制,。

2.2.3一個(gè)PWM控制的串聯(lián)開關(guān)的應(yīng)用

當(dāng)PWM頻率高于100Hz時(shí)，人眼是無法察覺單個(gè)脈沖的,，但是,，整合這些脈沖把它們理解為亮度，通過線性改變占空比,，就可以線性改變亮度,，而不會有任何波長變化。如圖4所示,，調(diào)節(jié)LED亮度最常用的方法是一個(gè)PWM控制的串聯(lián)開關(guān),。因?yàn)檎蚬ぷ麟娏飨鄬^高，所以選擇開關(guān)時(shí)必須小心,，確保開關(guān)能夠處理傳導(dǎo)損耗,。

圖4：引用ST公司新型技術(shù)的PWM調(diào)光技術(shù)框圖

為了克服這個(gè)問題，這個(gè)方案取消了串聯(lián)開關(guān),，而且還提高了能效,。圖4所示為新的調(diào)光技術(shù)的框圖,，引用了ST公司的新型技術(shù),。這項(xiàng)新技術(shù)存在于兩個(gè)控制回路內(nèi)：一個(gè)電流回路和—個(gè)電壓回路(圖4所示),。當(dāng)需要最大的亮度時(shí)，電流同路以穩(wěn)定的正向電流驅(qū)動(dòng)LED,；在調(diào)光操作期間,，電流控制回路將會限制最大輸出電流，同時(shí)電壓回路將維持輸出電壓低于LED陣列閾值電壓之和,。當(dāng)斷開LED時(shí),，電壓回路將控制最大輸出電壓。該新的調(diào)光技術(shù)的框圖因?yàn)椴辉偈褂秒娫撮_關(guān),，就可以得到一個(gè)更加低廉的高效解決方案,。

3、增添智能性亮度控制技術(shù)的應(yīng)用

LED照明應(yīng)用可以得益于MCU的智能性,。MCU可以用于多種任務(wù),，包括用戶接口、通信,、電池狀態(tài)監(jiān)控和溫度測量,。在設(shè)計(jì)中添加MCU并不意味著加大了復(fù)雜性、占用空間或更昂貴,。如Microchip提供了PIC10F系列MCU,，這些器件采用6引腳SOT-23封裝形式。器件內(nèi)部還有振蕩器和復(fù)位電路,。連接電源并接地,，得到4個(gè)I/0引腳，這些引腳可以編程設(shè)定為執(zhí)行任何所需的任務(wù),。FPIC10F引腳可以用作模擬或數(shù)字引腳,。FPIC10F系列中有兩個(gè)器件型號含有模擬比較器模塊。有兩個(gè)FPIC10FP器件型號含有8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),。只需要學(xué)習(xí)33條匯編指令就可以為PICIOF編寫代碼,。

MCU在LED照明中的一種應(yīng)用是進(jìn)行亮度控制。功率型LED可以通過降低驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行調(diào)光,。但是,，這不是控制LED亮度的最有效方式。在最高額定驅(qū)動(dòng)電流下,，功率型LED達(dá)到最佳效率,。通過使用低頻PWM信號來開關(guān)LED可以達(dá)到更好的效率。PWM信號連接到SMPS控制IC的使能輸入,。在打開時(shí),，LED始終以最高電流驅(qū)動(dòng),。

PICl0F206器件為SMPS IC提供了用戶按鈕接口，并產(chǎn)生PWM控制信號,。PIC10F206具有內(nèi)部振蕩器和復(fù)位電路,，不需要任何外部電路。在這些應(yīng)用中,，PIC10F206器件還可以用于線性化亮度控制或監(jiān)控電池狀態(tài),。

3.1.新的解決方案中PWM控制信號如何產(chǎn)生

有多種方法可以產(chǎn)生PWM控制信號來控制供電電路。帶有捕捉—比較-PWM(*)模塊的器件可以利用片上數(shù)字時(shí)基來產(chǎn)生PWM信號,，以控制供電電路,，從圖5所示的使用PIC12HV615比較器的降壓LED驅(qū)動(dòng)器輸出到Q1的信號可以看出。

圖5：使用PIC12HV615比較器的降壓LED驅(qū)動(dòng)器

信號脈沖寬度由MCU時(shí)鐘和占空比寄存器控制,；增強(qiáng)型*(E*)模塊使一個(gè)PWM信號可以控制2或4個(gè)輸出引腳,，分別進(jìn)行半橋或H橋控制；具有比較器和E*模塊的器件可以使用比較器信號來控制PWM信號的關(guān)閉時(shí)間,；具有比較器和PWM SR鎖存器的器件可以使用比較器信號和/或時(shí)鐘脈沖來開關(guān)鎖存器輸出,；可以使用外部PWM外設(shè)IC。在需要多個(gè)高速PWM通道時(shí),，這一方法很有用,，PWM信號可以使用軟件和I/0引腳產(chǎn)生。PWM頻率和占空比分辨率要求不是太高的話,，這一方法的成本較低,；帶有片上比較器的PIC單片機(jī)(如PICl2F609)可以用于實(shí)現(xiàn)簡單的LED驅(qū)動(dòng)器。PICl2HV609添加了一個(gè)內(nèi)部穩(wěn)壓器,，可以在高于5V的直流總線下工作,。

3.2 PWM控制信號產(chǎn)生例舉--MCPl630高速PWM控制器

MCPl630提供了另一種可用于為大功率LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生高速PWM信號的方法（見圖6所示）。

圖6：由MCPl630提供的大功率LED驅(qū)動(dòng)器

MCPl630是8引腳器件,，包含產(chǎn)生模擬PWM控制環(huán)路所需的元件,，包括：誤差放大器、比較器和驅(qū)動(dòng)功率晶體管的高電流輸出引腳,。MCPl630旨在用于與提供參考時(shí)鐘源的MCU配合使用,。PICHV615MCU控制PWM頻率和最大占空比。根據(jù)應(yīng)用需求,，開關(guān)頻率最高可達(dá)1MHz,。在需要調(diào)光或軟啟動(dòng)功能時(shí)，MCU還可以控制誤差放大器的參考輸入,。多個(gè)MCPl630器件可以連接到一個(gè)MCU來支持多個(gè)供電通道,。

MCPl630可以用于解決高級的供電難題。在使用多個(gè)MCPl630器件時(shí),，可以對每個(gè)時(shí)鐘輸入應(yīng)用相位偏移來降低總線電流脈動(dòng),。對于對EMI敏感的應(yīng)用,，可以對時(shí)鐘信號應(yīng)用抖動(dòng)來降低給定頻率的輻射能量。

4,、關(guān)于加強(qiáng)背光照明亮度控制技術(shù)的應(yīng)用

背光照明LED的亮度控制可經(jīng)由 PWM或恒流控制來實(shí)現(xiàn),。PWM亮度控制需動(dòng)用一個(gè)恒流驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)LED，但需要調(diào)節(jié)開/關(guān)時(shí)間才能達(dá)到所需的光度,。因此,，PWM比直接的恒流控制更加復(fù)雜,。于是又呈現(xiàn)新的解決方案,。為此，以RGB LED背光照明為例加以說明,。

LCD顯示屏中的圖素會劃分為三個(gè)主色區(qū)格：紅,、綠和藍(lán)。圖素色彩是由這三種主色混合來定義,。使用RGB背光,，當(dāng)LED溫度改變時(shí)，驅(qū)動(dòng)器必須更正紅,、綠和藍(lán)三個(gè)主色間的亮度平衡,，以防出現(xiàn)白點(diǎn)位移。此外,，驅(qū)動(dòng)器還需保證在任何操作溫度下維持光的正確強(qiáng)度,，而在補(bǔ)償方面，可以用閉環(huán)或開環(huán)形式,。使用閉環(huán)補(bǔ)償?shù)脑?，需采用感光器來測量白點(diǎn)和其強(qiáng)度。相反地,，如使用開環(huán)補(bǔ)償,，溫度便需事先測量出來，并通過預(yù)先定義好的補(bǔ)償曲線來調(diào)節(jié)亮度的平衡,。以如LP5520是RGB背光照明驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)例子,，是一個(gè)開環(huán)補(bǔ)償式LED驅(qū)動(dòng)器。圖7表示開環(huán)顏色補(bǔ)償?shù)脑怼?/span>

圖7：開環(huán)顏色補(bǔ)償?shù)脑?/span>

其中溫度補(bǔ)償曲線是用現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的RGB LED來量度,，這些曲線被編程在芯片內(nèi)部的EEPROM存儲器中,。該芯片被集成到LCD顯示模塊上，而模塊的制造商會在生產(chǎn)時(shí)為補(bǔ)償曲線編程,。此外,，RGB LED背光亦可用作優(yōu)化顏色過濾器。

5,、結(jié)論

上述高效的LED亮度控制技術(shù)有幾個(gè)不同拓樸方法,，概括為二類：其一是獨(dú)立使用一個(gè)模擬驅(qū)動(dòng)器IC,，或者將其與一個(gè)MCU(用以增添智能性)配合使用；其二是將LED驅(qū)動(dòng)功能集成到MCU應(yīng)用中,。拓樸的選擇要視應(yīng)用而定,，而即將出現(xiàn)的集成多任務(wù)混合信號解決方案必會為LED亮度控制技術(shù)帶來新的挑戰(zhàn)。