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。 

使用分路装置进行快速PWM 调光

由于转换器输出的关闭与启动延迟，因此限制了 PWM 调光频率以及工作周期范围。为了解决延迟的问题，FET 等外部分路装置平行置于 LED 或 LED 串，才可快速绕过LED 周围的转换器输出电流。“LED 关闭时间”期间，电流仍持续进入电感器可以避免电流在电感器电流基座上来回时产生长时间延迟。现在的延迟时间转换到分路装置上升与下降时间的限制。

因为开启 FET 时会产生输出电流过冲，所以使用电流模式转换器分路 LED 电流时必须特别小心。LM340x 系列的 LED 驱动器为实时控制转换器，不会产生过冲问题。我们应该保持 LED 上的低输出电容以获得最大化开启/关闭/开启的转换速度。

使用快速调光电路与关闭输出的缺点是损失效率。分路装置开启时，VShunt device X ILED 的电力消耗会以热能形式损失。使用低 RDS-ON 的 FET 可减少此效率损失。

使用分路 LED 以取得较快转换时间的另一个缺点是此动作无法在升压转换拓朴中作用。在升压的拓朴中，将负载端造成短路就等于是透过电感器造成 Vin 至接地的短路。

LM3409 多重调光功能

美国国家半导体所推出的 LM3409 为独特的 LED 驱动器，可提供完整模拟与 PWM 调光功能。在这装置上有4种 LED 调光的可能方法：

1. 直接使用 0V～1.24V 电压来源驱动 IADJ 接脚以进行模拟调光

2. 在 IADJ 接脚与地面间放置电位计以进行模拟调光

3.使用启动接脚以进行 PWM 调光

4. 使用外部分路 FET 以进行 PWM 调光

我们必须使用电位计连接 LM3409 才可进行模拟调光.内部的 5uA 电流源会在 RADJ 上建立电压，进而变更内部电流感应设定。我们也可以使用DC 压直接驱动 IADJ 接脚来达到相同的效果。

LED 效率

LED 发光效率大致可定义为以输入电源瓦特数除以可见输出光电源流明数;以每瓦特流明作为表示。所有进入LED但并未成为可见光的电源会被转换成热能或是不可见的电磁辐射。LED的特性即是在低输出等级时可获得较高的效率。

在低调光等级的情形下，比起PWM 调光，使用模拟调光的 LED 效率较高。假设PWM调光的LED有低工作周期，LED 尖峰电流会比用平均时间 LED 电流来的高。

调整脱机 LED 灯具

脱机 LED 照明可以作业的AC 电压，在日本为 100 VAC 而在部份工业应用中则为 300 VAC 以上。以 LED 取代荧光灯泡的优点之一为提高使用效率。LED 灯具可以使用大概 80,000 个小时才需进行维修或替换，但荧光灯具可能只能维持 6,000 小时。长期看来，替换至 LED 灯具所节省的成本通常远超过 LED 灯具本身的花费。

在住宅照明的应用上会更可能需要使用可调光的 LED 灯具。常见的两种调光类型为 TRIAC 与 10 VDC，而 TRIAC 调光器则更为常见。TRIAC 控制器可在任何一间居家装潢店取得，也比较常见于大部分家庭中。TRIACS 会“切断”部份的 AC 波长以提高工作周期效率并提供电流给灯具。TRIAC 调光的缺点是无法完全解决在低调光时闪烁光源的输出。LED 驱动器技术的进展改善了 TRIAC 的调光技术，现今的驱动器比较能透过“解码”低调光设定以输出没有闪烁的光线。

所谓 10 VDC 调光，是在使用 10V 的灯具上将 0V ～ 10V 的 DC 电压应用到调光控制器，其中的0V 对应到无光线，而 10V 则产生全幅的灯光输出。10 VDC 照明需要从调光器安装额外的连接线至灯具，在等级较高的灯具中比较常见，因为此种灯具需要更多的线性调光控制以及比TRIAC调光器更好的调光比例。

结语

有许多方式可以调整切换式调节器供电的 LED 光线。而 PWM 与模拟这两种主要调光方式则各有优缺点。PWM 调光大幅降低 LED 的颜色变化，并有不同的亮度层级，可提供额外逻辑来建立 PWM 波长。模拟调光则是比较简单的电路，但不适用于需要恒定色温的应用。