模拟/PWM调光搭配得宜 LED照明色彩更缤纷

吴湛 发表于 2018-02-24 14:21:52 收藏 已收藏
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模拟/PWM调光搭配得宜 LED照明色彩更缤纷

吴湛 发表于 2018-02-24 14:21:52

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。

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