LED照明的迅速發(fā)展意味著需要大量IC器件為L(zhǎng)ED提供電源控制,。在現(xiàn)在的節(jié)能時(shí)代,,為了控制LED電流,開關(guān)式LED驅(qū)動(dòng)器早已開始取代高能耗的線性器件,。從閃光燈到街燈,,再到體育場(chǎng)的記分牌,都對(duì)這些產(chǎn)品要求精確控制的LED光輸出(即光通量),。
光通量(單位流明)是光源發(fā)出有用功的度量,,該性能指標(biāo)是一個(gè)所有波長(zhǎng)的能量和專門對(duì)應(yīng)人眼反應(yīng)的可見光區(qū)域的加權(quán)函數(shù)。LED的光通量與驅(qū)動(dòng)電流的大小成正比,。很多情況下,,光輸出的實(shí)時(shí)變化都須通過改變LED驅(qū)動(dòng)電流來實(shí)現(xiàn),這就是通常所謂的調(diào)光控制,。
在很多調(diào)光應(yīng)用中顏色的控制同樣重要,,制造高亮度白光LED通常的方法是在發(fā)射藍(lán)光的LED芯片上覆蓋一層熒光粉半球涂層。最終的發(fā)射光在一定色溫下將呈現(xiàn)白光,,色溫是用來描述光的顏色與黑體曲線上的參考顏色比較后的一個(gè)性能指標(biāo),。LED生產(chǎn)商制定了一個(gè)標(biāo)稱的色溫來表示白光LED,但實(shí)際上它很容易因正向電流,、結(jié)點(diǎn)溫度和產(chǎn)品壽命的影響而改變,。大部分彩色LED不含熒光粉,它們不考慮色溫僅發(fā)出特定波長(zhǎng)的光,,但是會(huì)受波長(zhǎng)偏移的影響,。
技術(shù)背景
圖1給出的是在補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的直流/直流開關(guān)式LED驅(qū)動(dòng)器,在這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里,輸入電壓Vin比輸出電壓VOUT(LED和RSNS上的電壓)更高,。能量是通過受控開關(guān)(連至圖1 LM3406內(nèi)部),,二極管D1和電感L1。在輸入至輸出間處理及傳遞,。通常,,能量傳遞發(fā)生在50KHZ~1MHZ的轉(zhuǎn)換頻率間,具體取決于實(shí)際應(yīng)用,。通過監(jiān)控流經(jīng)CS引腳的檢測(cè)電阻RSNS上的平均電壓值,,可以控制LED電流。通過增加或者減少LED電流調(diào)節(jié)CS引腳,,驅(qū)動(dòng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換的占空比會(huì)動(dòng)態(tài)變化,。
圖1 開關(guān)式LED驅(qū)動(dòng)器
開關(guān)式LED驅(qū)動(dòng)器調(diào)光控制常用的方法有兩種:脈寬調(diào)制調(diào)光(脈寬調(diào)制)和模擬調(diào)光。兩種方法均通過控制流過LED的時(shí)間平均電流實(shí)現(xiàn),,但是這兩種方法的差異眾多,,除了下文要談到的功能差異,,兩種方法各自的優(yōu)勢(shì)與問題也已在表1中標(biāo)出,。
模擬調(diào)光
使用開關(guān)式驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行模擬調(diào)光,是通過調(diào)節(jié)標(biāo)稱LED電流來實(shí)現(xiàn)的,。理論上,,圖1中用LM3406來模擬調(diào)光,只需調(diào)整RSNS即可實(shí)現(xiàn),。但在實(shí)際操作中,,RSNS的值非常小(小于1?),,這不利于電阻的功率耗散,,實(shí)際中還沒有哪種標(biāo)準(zhǔn)電位計(jì)可以提供這么小的可變電阻。相反的,,有種更復(fù)雜的技術(shù)通過使用一個(gè)固定檢測(cè)電阻就可以直接控制標(biāo)稱LED電流,。如圖1所示,可以把運(yùn)算放大器放在CS引腳和RSNS之間,,用來緩沖和放大檢測(cè)電壓,。一個(gè)更高的電阻電位計(jì)可以放在從輸入到輸出的反饋回路上,以調(diào)節(jié)有效傳感電壓值,,從而達(dá)到對(duì)LED模擬調(diào)光的目的,。
模擬調(diào)光的主要缺點(diǎn)是色溫較大,與平均LED電流對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)發(fā)生偏移,。具體取決于實(shí)際應(yīng)用,,該問題對(duì)有的應(yīng)用而言很關(guān)鍵,另一些則不然。例如,,對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的,、低成本的用熒光粉涂層覆蓋的白光LED閃光燈,色溫的偏移問題幾乎可以忽略,。相反,,使用RGB(紅,綠,,藍(lán))LED的背光顯示器,,在模擬調(diào)光時(shí)不允許任何的波長(zhǎng)偏移。模擬調(diào)光相對(duì)簡(jiǎn)單,,成本低廉,,這使得它極受某些具體應(yīng)用領(lǐng)域的喜歡,當(dāng)然不是所有的應(yīng)用,。
PMW調(diào)光
與模擬調(diào)光相反,,脈寬調(diào)制調(diào)光不是通過對(duì)標(biāo)稱電流的調(diào)節(jié),而是用低于比開關(guān)頻率的轉(zhuǎn)換控制器的開和關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié),。它產(chǎn)生了一個(gè)調(diào)制輸出電流,,其平均值等于固定的LED標(biāo)稱電流值乘以脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比。脈寬調(diào)制調(diào)光頻率范圍從100次/Hz~10次/kHz,,該頻率必須比人眼感知的速度快,,這樣就可以避免頻閃現(xiàn)象,一般來說,,其頻率限制在大于或等于200HZ,。
通過脈寬調(diào)制調(diào)光,LED電流為零或在標(biāo)稱電流級(jí),,這極大地改善了模擬調(diào)光時(shí)的色移現(xiàn)象,,在需要對(duì)顏色進(jìn)行精確控制的應(yīng)用中,該技術(shù)是人們的首選,。其缺點(diǎn)是在LED電流的脈寬調(diào)制過程中會(huì)增加開關(guān)的噪音,。當(dāng)然,產(chǎn)生脈寬調(diào)制輸入信號(hào)還會(huì)增加成本,,產(chǎn)品設(shè)計(jì)也更為復(fù)雜,。
圖2(a)平行并聯(lián)FET脈寬調(diào)制
圖2(b)脈寬調(diào)制調(diào)光應(yīng)用和產(chǎn)生的波形
如圖2(a)中所示,許多LED驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)是有一個(gè)專門的脈寬調(diào)制調(diào)光引腳,。這個(gè)DIM引腳可以適應(yīng)很寬的脈寬調(diào)制頻率和振幅,,允許有一個(gè)連接外部邏輯電路的簡(jiǎn)單接口。DIM功能關(guān)閉內(nèi)部開關(guān),,這在保持內(nèi)部偏置電路運(yùn)行下,,確保不向LED驅(qū)動(dòng)器提供輸出,,避免了IC重新啟動(dòng)的延遲。延遲時(shí)間的最小化令驅(qū)動(dòng)器獲得更寬的調(diào)光范圍,。在這種脈寬調(diào)制調(diào)光執(zhí)行過程中的最小可獲得的占空比受到圖2(b)中所示的電感的上升時(shí)間和衰減時(shí)間(轉(zhuǎn)換率)的限制,。通過DIM引腳進(jìn)行脈寬調(diào)制調(diào)光可以應(yīng)用在從汽車前燈到一般通用射燈等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。
對(duì)于如電視背光燈之類更復(fù)雜的應(yīng)用,,需要更大的調(diào)光范圍,。只有使用如圖2(a)所示的并行FET調(diào)光才有可能實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)配置中,,切換式LED驅(qū)動(dòng)器可持續(xù)性地調(diào)節(jié)輸出電流,,脈寬調(diào)制調(diào)光信號(hào)控制LED負(fù)載的開關(guān)閘。通過開關(guān)的開和關(guān)重新引導(dǎo)流經(jīng)開關(guān)的LED電流,,并在要求的占空比內(nèi),,反向流過LED。效果基本與脈寬調(diào)制調(diào)光所采用的DIM 引腳一致,,在這個(gè)PMW調(diào)光里占空比控制LED平均電流,。LED電流的上升和下降時(shí)間是一個(gè)令幅度變快的指令,它們并不取決于電感的轉(zhuǎn)換率,。圖2(b)所示的是如何達(dá)到一個(gè)更小的最小占空比,,從而極大改善調(diào)光范圍。
雙線調(diào)光
雙線脈寬調(diào)制調(diào)光是一項(xiàng)很流行的車內(nèi)照明技術(shù),。該技術(shù)一開始主要用于白熾燈負(fù)載上,,通過電阻性負(fù)載降低平均電壓,可以直接調(diào)節(jié)其室內(nèi)光源,,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光。因?yàn)槠囆袠I(yè)還在應(yīng)用LED的過渡中,,對(duì)某些生產(chǎn)廠商而言,,現(xiàn)有架構(gòu)仍富有吸引力。開關(guān)式電源設(shè)計(jì)中存在一個(gè)問題,,即可以不考慮輸入狀態(tài)調(diào)節(jié)輸出,。為了使用這些嵌在電源上的調(diào)光信息,解碼調(diào)光角度很有必要,。
圖3 雙線脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制調(diào)光應(yīng)用
圖3給出的是使用開關(guān)式LED驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行雙線調(diào)光的一種方法,。隨著VIN上升和下降,VINS引腳監(jiān)測(cè)到占空比,,并把脈寬調(diào)制波形轉(zhuǎn)為內(nèi)部開關(guān)調(diào)制,。調(diào)光效果與通過DIM引腳的脈寬調(diào)制調(diào)光一樣,該方法的缺點(diǎn)是,,當(dāng)輸入電源在每個(gè)調(diào)光周期關(guān)斷時(shí),,輸入電容CIN必須提供輸入功率。此外,高壓二極管D1必須確保VINS 引腳可以檢測(cè)到調(diào)制信號(hào),。
調(diào)光和效率
LED光效可以簡(jiǎn)單的定義為用流明表示的可視輸出功率與用瓦表示的輸入電功率(單位是流明/W)之比,。所有輸入LED但未能生成可見光的電功率都轉(zhuǎn)化成了熱或者不可見電磁輻射。眾所周知,,當(dāng)用正向電流驅(qū)動(dòng)時(shí)所有的LED光效更高(在更低的輸出功率下),。圖4示意了LED正向電流和光通量間的常見關(guān)系。當(dāng)指數(shù)從理想線上偏斜下來,,光效將隨之降低,。
圖4 電流和光通量
從圖4中我們可以看到,在較低的調(diào)光級(jí)別,,比起脈寬調(diào)制調(diào)光模擬調(diào)光的LED光效更高,。在更低的占空比下,我們會(huì)考慮使用脈寬調(diào)制調(diào)光,,LED峰值電流比時(shí)間平均LED電流要大得多,。另外一方面,模擬調(diào)光LED只適用于平均電流水平,。
復(fù)合調(diào)光功能
美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM3409是一個(gè)設(shè)計(jì)獨(dú)特的降壓LED控制器,,可以很容易的為模擬調(diào)光和脈寬調(diào)制調(diào)光提供支持功能。模擬調(diào)光和脈寬調(diào)制調(diào)光可以分別進(jìn)行,,或者在復(fù)雜的調(diào)光模式下可以進(jìn)行一些同步的簡(jiǎn)單操作,。圖5示意的是使用LM3409的一種典型的模擬調(diào)光應(yīng)用。使用該器件可以有四種方法實(shí)現(xiàn)LED調(diào)光,。
1. 在電源電壓 從0V~1.24V變化時(shí),,直接驅(qū)動(dòng)IADJ 引腳來模擬調(diào)光
2. 在IADJ 引腳 和Gnd間安裝一個(gè)電位計(jì)來模擬調(diào)光
3. 用EN 引腳完成脈寬調(diào)制調(diào)光
4. 通過外分流FET完成脈寬調(diào)制調(diào)光
圖5 使用電位計(jì)的模擬調(diào)光
LM3409是一個(gè)阻尼配件,總開關(guān)Q1打開,,能量從輸入傳遞到輸出,。當(dāng)開關(guān)電流達(dá)到門限峰值時(shí),Q1關(guān)閉,,然后,,一個(gè)與輸出電壓成正比的穩(wěn)定的關(guān)閉定時(shí)開關(guān)將決定關(guān)斷時(shí)間,通過在0~248mV范圍內(nèi)改變內(nèi)部峰值感應(yīng)閾值電流可以進(jìn)行模擬調(diào)光,。如果IADJ引腳懸空,,將內(nèi)部5uA電流源引腳電壓偏置至1.24V,這樣在248mV下通過檢測(cè)電阻RSNS的LED電流就會(huì)達(dá)到峰值,。如果把一個(gè)電位計(jì)從IADJ 接地(GND),,5uA電源偏置到RADJ,則產(chǎn)生一個(gè)電壓,,該電壓將改變內(nèi)部電流感應(yīng)閾值,。用同樣的方法,,IADJ 引腳可以只用一個(gè)從0~1.24V的直流電壓來驅(qū)動(dòng),標(biāo)定從0~248mV的電流感應(yīng)閾值,。
圖6 電流和電位器電阻
圖6是一個(gè)測(cè)量LED電流及在IADJ 引腳到GND間電位計(jì)電阻值的平面圖,。在非常低的調(diào)光幅度下,LED電流到電位計(jì)電阻的傳遞函數(shù)幾乎是線性的,。圖5所示的內(nèi)部2.5V鉗位電壓值能使最大電流限定在1A以內(nèi),。
LM3409的脈寬調(diào)制調(diào)光跟LM3406一樣,除了LM3406使用專用的DIM 引腳,,而LM3409用的是EN引腳,。EN引腳是邏輯輸入,這個(gè)邏輯輸入用脈寬調(diào)制輸入信號(hào)來打開和關(guān)閉主要的FET Q1,。LM3409和LM3406唯一的區(qū)別是如果EN引腳的引線足夠長(zhǎng),,位置較低,則LM3409將完全關(guān)閉,。用LM3409也可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)分流FET調(diào)光,。
表1列出的優(yōu)缺點(diǎn),標(biāo)明使用LM3409器件進(jìn)行混合調(diào)光所帶來的好處,。隨著LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,,混合調(diào)光法將變得越來越受歡迎。
表 1 模擬調(diào)光和脈寬調(diào)制調(diào)光的優(yōu)缺點(diǎn)
參數(shù) |
模擬調(diào)光 |
脈寬調(diào)制 調(diào)光 |
設(shè)計(jì)難易度 |
控制器如果配備了模擬調(diào)光引腳,,將更為容易,。 |
需要一個(gè)處理器或定時(shí)開關(guān)來產(chǎn)生脈寬調(diào)制輸入信號(hào) |
相對(duì)成本 |
產(chǎn)生模擬輸入信號(hào)相對(duì)更便宜 |
生成脈寬調(diào)制輸入信號(hào)成本較高 |
色溫偏移 |
調(diào)光時(shí)會(huì)產(chǎn)生色移現(xiàn)象 |
在整個(gè)調(diào)光過程中,色彩相對(duì)穩(wěn)定,。 |
調(diào)光范圍 |
大部分的設(shè)計(jì)中調(diào)光范圍都非常有限 |
可以獲得非常高的相對(duì)比值 |
功效 |
在較低調(diào)光階段比脈寬調(diào)制更好 |
在高峰值電流下功效更低 |
電磁兼容性 |
使用開關(guān)電源時(shí),,電磁兼容性一般 |
LED并聯(lián)FET的硬邊緣可以產(chǎn)生輻射或者熱傳導(dǎo) |