【技术】模拟/PWM调光搭配得宜 LED照明色彩更缤纷

类比式LED调光设计简单且成本低，但不适合需要稳定色温的应用；数位式PWM调光色温控制较佳，但须搭配MCU，增加系统成本。设计人员应考量应用需求，选择最适合的调光方案，方能达到理想的LED照明色彩及亮度。

　　在建筑、区域与崁灯等照明应用中，色彩准确度非常重要，而发光二极体(LED)很适合提供准确色彩。LED颜色可随着混合红、蓝、绿、黄、白等各色而异；当多种色彩混合时，亮度必须调整。本文针对多种LED混色的调光技巧进行介绍。

　　准确频道亮度调控　LED实现丰富色彩

　　每颗LED晶体只能发出单色光，若希望创造其他色彩，可运用红、绿、蓝三原色的LED灯混合，只要切换红、绿、蓝LED频道，即可产生七种基本色彩(红、绿、蓝、黄、紫、浅绿、白)。

　　如果需要更丰富的色彩，只须控制三原色的LED灯光亮度，就能产生众多色彩，包括调整各LED频道的亮度，并控制通过各LED串的电流调控明暗。改变LED白光灯的色温时，通常调整红色与白色的LED串即可。

　　调整LED明暗共有两种基本方式：类比(Analog)与脉冲宽度调变(PWM)。两者都是藉由安装开关模式或线性LED驱动器，控制通过LED串的平均电流，以改变LED的亮度。

　　图1为双串LED驱动器，其中包括一个降压切换器与一个线性稳压器。两个LED串均可选择类比或PWM，两者各有优缺点，多数应用是依据混色表现需求选择调整方式。

　　图1　双串可调光LED驱动器，包含一个降压转换器与一个线性稳压器。

　　类比调光须掌握电流变化幅度

　　LED类比调光是藉由控制通过LED串的恒电流，达到调整明暗效果，可控制晶片内的LED电流参考电压，或是控制晶片外的LED电流感测电压。

　　大多数的LED驱动器，其内部包括切换稳压器与线性稳压器，其中的LED电流高低由公式1决定：

　　......公式1

　　VREF为晶片内LED电流参考电压，RSNS为电压感测电阻。

　　藉着改变VREF可调整LED电流。有些LED驱动器晶片并不允许使用者改变LED电流参考电压，而在允许改变LED电流参考的晶片里，通常有两种改变方式：一是在晶片提供的参考电压调整接脚上加入类比电压；二为透过I2C等数位通讯介面调整参考电压，以图1为例，可藉由I2C的指令调整LED电流参考电压。

　　另一种类比调光方式为改变LED电流感测电压。多数应用的电流感测电阻低于1欧姆(ohm)，也因此，没有必要使用电位计来改变电流感测电阻，藉由在晶片的电流感测接脚上，再加入外部直流电压即可达成效果。图2所呈现的是改变电流感测电压，其典型类比调光线路，CS接脚的电压则可参考下列公式2：

　　图2　类比调光线路范例

　　......公式2

　　在稳定的状态下，CS接脚电压会与参考电压相等。透过调整外部的直流电压，或是调整可变电阻R2值，即可以改变LED电流。

　　在混色应用中使用类比调光将会发现一项缺点，此即由于LED色温会随电流变化，如果类比调光电流改变较大，LED亮度与颜色可能也会生变，导致无法产生理想色彩。

　　PWM调光色温控制精准

　　PWM调光是以固定循环周期，以及频率开关LED来决定，其调光的LED电流计算可参考下列公式3：

　　......公式3

　　IDIM为调光后的LED电流，D为PWM调光讯号的周期循环，ILED则为无调光的LED电流。

　　LED PWM调光频率通常高于200Hz，肉眼无法察觉。许多LED驱动器晶片均具备PWM调光输入接脚，可接收微控制器(MCU)产生的PWM调光输入讯号。通常只有PWM调光讯号变弱时，驱动器晶片才会关闭金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)驱动器；等到讯号转强，MOSFET驱动器又会开启；此外，内部线路在PWM调光循环关闭时仍继续运作，避免晶片必须重新启动，造成PWM调光上升缘延迟。

　　在开关模式LED驱动器中，电容通常会放在LED串之中，过滤高频率切换杂讯，亦可减缓PWM调光LED电流的升降缘。因此，高频率低循环PWM调光应用必须移除电容。图3呈现LED降压稳压器无输出电容的PWM调光波形。

　　图3　PWM调光LED电流波形

　　类比至PWM调光具过热保护功能

　　有些LED驱动器晶片具备「类比至PWM调光」功能，晶片调光接脚接收类比讯号后，转换为PWM调光讯号。PWM调光频率固定，且循环周期与输入类比讯号级成比例。

　　照明应用里若无MCU，则类比至PWM调光方案助益极大。类比至PWM调光设计可发挥过热保护功能，如果LED板地温度超过设定值，PWM调光便可以降低LED电流。

　　分流FET PWM调光适用于高频率

　　分流FET PWM调光通常用于极高频率的LED PWM调光。图4呈现以降压稳压器为基础的分流FET PWM调光线路，外部分流FET摆放位置与LED串平行，以迅速绕过转换器输出电流；当分流FET开启时，LED串关闭，反之亦然。所以，LED串透过分流FET达到有效的PWM调光。有些LED驱动器晶片提供MOSFET驱动器，做为分流FET PWM调光之用，故不需外部MOSFET驱动器。

　　图4　分流FET PWM调光范例

　　在分流FET PWM调光过程中，切换稳压器的电感电流维持不变，电感电流升降不会造成延迟。若具备功能强大的MOSFET驱动器，分流FET能以极高速开关，故PWM调光的LED电流升降缘相当尖锐。分流FET PWM调光很适合高频率PWM调光应用。

　　理想LED照明有赖多方考量

　　在LED混色应用中，调光对达成理想色彩及亮度相当重要。LED调光方式众多，主要有类比调光与PWM调光两种。类比调光使用的线路较简单，成本较低，也适合无MCU的系统，但并不适合需要稳定色温的应用；另一方面，PWM调光能减少LED电流变化造成的色差，故可达到相当精准的色温，但PWM调光一般需要微处理器产生输入数位讯号，因此提高系统成本。