無(wú)論LED是經(jīng)由降壓、升壓、降壓/升壓或線(xiàn)性穩壓器驅動(dòng)，連接每一個(gè)驅動(dòng)電路最常見(jiàn)的線(xiàn)程就是須要控制光的輸出�，F今僅有很少數的應用只需要開(kāi)和關(guān)的簡(jiǎn)單功能，絕大多數都需要從0～100%去微調亮度。目前，針對亮度控制方面，主要的兩種解決方案為線(xiàn)性調節LED的電流(模擬調光)或在肉眼無(wú)法察覺(jué)的高頻下，讓驅動(dòng)電流從0到目標電流值之間來(lái)回切換(數字調光)。利用脈沖寬度調變(PWM)來(lái)設定循環(huán)和工作周期可能是實(shí)現數字調光的最簡(jiǎn)單的方法，原因是相同的技術(shù)可以用來(lái)控制大部分的開(kāi)關(guān)轉換器。

PWM調光能調配準確色光

一般來(lái)說(shuō)，模擬調光比較容易實(shí)行，這是因為LED驅動(dòng)器的輸出電流變化與控制電壓成比例，而且模擬調光也不會(huì )引發(fā)額外的電磁兼容性(EMC)/電磁干擾(EMI)潛在頻率問(wèn)題。然而，大部分設計采用PWM調光的理由都是基于LED的基本特性，即放射光的位移是與平均驅動(dòng)電流的大小成比例(圖1)。對于單色LED來(lái)說(shuō)，主要光波的波長(cháng)會(huì )發(fā)生變化，而在白光LED方面，出現變化的是相對色溫(CCT)。對于人們的肉眼來(lái)說(shuō)，很難察覺(jué)出紅、綠或藍光LED中的奈米波長(cháng)變化，尤其是當光的強度也同樣在改變，但是白光的色溫變化則比較容易察覺(jué)出來(lái)。大多數的白光LED都包含一片可放射出藍光頻譜光子的晶圓，這些光子在撞擊磷光涂層后便會(huì )放射出各種可見(jiàn)光范圍內的光子。在較小的電流下，磷光會(huì )成為主導并使光線(xiàn)偏向黃色；而在較大電流下，LED放射出來(lái)的藍光則較多，使得光線(xiàn)偏向藍色，同時(shí)也會(huì )產(chǎn)生較高的CCT。對于使用超過(guò)一個(gè)白光LED的應用，在兩個(gè)相鄰LED之間出現的CCT差異會(huì )很明顯，且視覺(jué)令人不悅，此概念可以進(jìn)一步延伸將多個(gè)單色LED光線(xiàn)混和在一起的光源。一旦超過(guò)一個(gè)光源，任何出現在它們之間的CCT差異都會(huì )令人感到刺眼。

圖1　采用PWM調光的LED驅動(dòng)器及波形

LED制造商會(huì )在其產(chǎn)品的電流特性表中指定驅動(dòng)電流的大小，其只會(huì )在這些特定電流條件下對產(chǎn)品的主波長(cháng)或CCT提供保證。PWM調光的優(yōu)點(diǎn)在于完全毋須考慮光的強弱，也能確保LED放射出設計人員所需的顏色。這種精確的控制對于紅綠藍(RGB)應用尤其重要，因為這些應用是將不同顏色的光線(xiàn)混和以產(chǎn)生白光。

從驅動(dòng)器集成電路的角度看，模擬調光面臨著(zhù)輸出電流準確性的嚴峻挑戰。幾乎所有的LED驅動(dòng)器都在輸出端加入某種形式的串行電阻來(lái)偵測電流，而所選用的電流感測電壓VSNS會(huì )產(chǎn)生一個(gè)協(xié)調作用，使電路能保持高信號信噪比(SNR)，同時(shí)維持低功耗，由驅動(dòng)器中的容限度、偏移和延遲所引致的誤差則相對保持固定。要在封閉回路系統中降低輸出電流，就必須要調降V_SNS，但如此一來(lái)，輸出電流的準確性便會(huì )下降，直至V_SNS的絕對值等于誤差電壓為止，最后，輸出電流會(huì )變得無(wú)法控制，目標輸出電流將不能被確定或保證。一般來(lái)說(shuō)，PWM調光除了可以提高準確性之外，對于低階光輸出的線(xiàn)性控制也較模擬調光強。

調光頻率與對比度成反比

對于PWM調光信號而言，每個(gè)LED都有限定的響應時(shí)間，圖2表示三種不同的延遲，延遲愈大者表示能達到的對比度就愈低(對光強度控制的一種測量方法)。

圖2　調光延遲

圖2中的時(shí)間量t_D表示由邏輯信號V_DIM上升開(kāi)始，至LED驅動(dòng)器開(kāi)始增加輸出電流開(kāi)始之間的傳播延遲，而時(shí)間量t_SU則表示輸出電流由0轉換到目標電流所需的時(shí)間，至于時(shí)間量t_SD代表輸出電流從目標電流轉換回0所需的時(shí)間。在大多數的情況下，調光頻率f_DIM愈低，對比度就愈高，這是因為這些固定延遲只會(huì )占用少部分的調光周期T_DIM。調光頻率f_DIM的下限約為120Hz，假如低于此頻率，眼睛便不能再將脈沖混和成一個(gè)可見(jiàn)的連續光線(xiàn)。至于上限則取決于最低對比度的要求，對比度一般被表示成最低導通時(shí)間的倒數。

CR＝1 / t_ON-MIN：1

t_ON-MIN ＝t_D＋t_SU

機械視覺(jué)辨識和工業(yè)檢驗等應用通常都需要較高的PWM調光頻率，主因為高速攝影機和傳感器的反應速度比人類(lèi)眼睛快很多。在這類(lèi)應用中，對于LED光源進(jìn)行高速開(kāi)和關(guān)的目的不是要降低平均的光輸出量，而是要將光輸出與傳感器或攝影機的捕捉時(shí)間進(jìn)行同步化。

利用開(kāi)關(guān)穩壓器來(lái)調光

為了達到每秒開(kāi)關(guān)數百次或甚至數千次，以開(kāi)關(guān)穩壓器為基礎的LED驅動(dòng)器，須經(jīng)過(guò)特別的設計考慮。針對標準電源供應而設計的穩壓器一般都會(huì )設計一根“啟動(dòng)”或關(guān)閉接腳，以便供邏輯PWM信號使用，但連帶的延遲t_D則頗長(cháng)，這是由于硅芯片的設計強調在響應時(shí)間內維持低停機電流。然而，專(zhuān)用來(lái)驅動(dòng)LED的開(kāi)關(guān)穩壓器則恰好相反，它可在「啟動(dòng)」接腳邏輯低時(shí)，保持內部控制電路的活動(dòng)，以將tD減至最低，而當LED被關(guān)關(guān)時(shí)，則會(huì )面臨較大工作電流的困擾。

在使用PWM來(lái)達成光控制優(yōu)化時(shí)，要把轉上(Slew-up)和轉下(Slew-down)延遲維持在最低，這不單為了獲得最佳的對比度，而且還可減少LED花在由0到目標所需的時(shí)間。(在此條件下，并不保證主波長(cháng)或CCT與目標值相同)在這里的標準開(kāi)關(guān)穩壓器將設有一個(gè)軟啟動(dòng)，通常也搭配一個(gè)軟關(guān)閉，而專(zhuān)用的LED驅動(dòng)器會(huì )在其控制之內執行所有工作以減少這些回轉率(Slew Rate)。要降低t_SU和t_SD，須要同時(shí)從硅芯片的設計和開(kāi)關(guān)穩壓器所采用的拓撲著(zhù)手。

具備較快速回轉率的降壓穩壓器，比其他所有的開(kāi)關(guān)拓撲結構在兩個(gè)地方表現更為優(yōu)異，首先降壓穩壓器是唯一可在控制開(kāi)關(guān)啟動(dòng)時(shí)，將功率輸送到輸出端的開(kāi)關(guān)轉換器，此特點(diǎn)使得電壓模式或電流模式PWM(這里不要與PWM調光混淆)的降壓穩壓器之控制回路，比起升壓穩壓器或其他降壓/升壓拓撲更為快速。此外，在控制開(kāi)關(guān)啟動(dòng)期間的功率傳輸能夠輕易改為磁滯控制，使其速度甚至比最佳的電壓模式或電流模式控制的回路更快。其次，降壓穩壓器的電感器在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內都是連接在輸出端，此可確保輸出電流的連續性，也意謂毋須使用輸出電容器。少了輸出電容器后，降壓穩壓器便可成為真正的高阻抗電流源，能夠迅速轉換輸出電壓。邱克型(Cuk)和Zeta轉換器雖可提供連續性輸出電感器，但由于它們的控制回路較慢，效率也較低，因此并非最佳選擇。

PWM比“啟動(dòng)”接腳更快

即使是一個(gè)沒(méi)有輸出電容器的純磁滯降壓穩壓器，都不足以應付某些PWM調光系統的要求，這些應用需要較高的PWM調光頻率、高對比度度，也就是要求更快速的回轉率和更短暫的延遲時(shí)間。與機械視覺(jué)辨識和工業(yè)檢驗系統搭配應用時(shí)，舉例某些要求高性能的系統，包括液晶(LCD)面板和投影機的背光照明系統，在某些情況下，PWM調光頻率必須被調高到可聽(tīng)頻帶以外的25kHz或更高的頻帶，隨著(zhù)整體的調光周期已縮短至幾微秒內，包括傳導延遲在內，LED電流的上升和下降時(shí)間總和必須縮短至奈秒內。

從一個(gè)沒(méi)有輸出電容器的快速降壓穩壓器著(zhù)手，出現在輸出電流開(kāi)啟和關(guān)閉的延遲，是來(lái)自集成電路本身的傳導延遲和輸出電感器的物理特性。若要達到真正高速的PWM調光，兩個(gè)延遲都須被略過(guò)(By Pass)。要實(shí)現這個(gè)目標，最佳方法就是采用一個(gè)與LED并聯(lián)的電源開(kāi)關(guān)(圖3)。當LED關(guān)閉時(shí)，驅動(dòng)電流便會(huì )分流通過(guò)開(kāi)關(guān)，作用就如同一個(gè)典型的N型金屬氧化半導體場(chǎng)效晶體管(N-MOSFET)，這時(shí)集成電路會(huì )繼續運行，而電感器電流也會(huì )持續流動(dòng)。該方法的最大缺點(diǎn)在于LED關(guān)閉時(shí)，即使期間的輸出電壓下降到與電流感測電壓相同，仍會(huì )浪費功率。

圖3　分路FET電路和其波形

利用分路場(chǎng)效應晶體管(FET)來(lái)進(jìn)行調光會(huì )導致輸出電壓出現較為急劇的移位，這使得集成電路的控制回路必須作出響應，以嘗試維持輸出電流的穩定。正如同邏輯接腳調光般，控制回路愈快表示響應愈好，而采用磁滯控制的降壓穩壓器則可提供最佳的回應。

利用升壓和降壓/升壓 實(shí)現快速的PWM調光

無(wú)論是升壓穩壓器或任何類(lèi)型的降壓/升壓拓撲都不太適合用在PWM調光。在開(kāi)始設計的時(shí)候，會(huì )發(fā)覺(jué)兩者在連續導通模式(CCM)下都會(huì )展現一個(gè)右半平面零點(diǎn)(Right-half Plane Zero)限制，這將無(wú)法達到頻率穩壓器所需的高控制回路帶寬要求。此外，右半平面零點(diǎn)的時(shí)域效應還會(huì )使系統難以磁滯方式去控制升壓或降壓/升壓電路；另一個(gè)使情況變得更為復雜的因素是升壓穩壓器不能容忍輸出電壓下降到輸入電壓以下，這種情況會(huì )導致在輸入端產(chǎn)生短路，使得并列FET調光無(wú)法實(shí)行。另外，在各類(lèi)的降壓/升壓拓撲技術(shù)中，并列FET調光仍然窒礙難行或極難使用，主因在于它需要輸出電容器(SEPIC、降壓/升壓和返馳式)，又或在輸出短路時(shí)會(huì )出現無(wú)法控制的輸入電感器電流(Cuk和Zeta)。

假如真的需要一個(gè)快速的PWM調光，最佳的解決方案是采用兩級系統，并以降壓穩壓器作為第二級LED驅動(dòng)級。不過(guò)，若尺寸空間和成本都不容許，退而求其次的最佳選擇便是圖4中的串行開(kāi)關(guān)。

圖4　采用串行調光開(kāi)關(guān)的升壓穩壓器

雖然LED電流可在瞬間關(guān)閉，但須仔細考慮系統的響應，這種開(kāi)放電路其實(shí)可看成一個(gè)快速的極端卸除瞬時(shí)，它還會(huì )中斷回饋回路并導致穩壓器的輸出電壓無(wú)止境上升。因此，須要在輸出和/或誤差放大器加入箝位電路，以預防超載電壓所造成的損害，但由于這些箝位電路難以用外部電路的方式實(shí)現，也就是說(shuō)串行式FET調光必須配合專(zhuān)用升壓與降壓/升壓LED驅動(dòng)器集成電路才可使用。

要有效控制LED光源，必須在開(kāi)始時(shí)的設計過(guò)程就加倍小心，光源愈是精密，須要采用PWM調光的機會(huì )就愈大，而系統設計人員也必須謹慎考慮有關(guān)LED驅動(dòng)器的拓撲結構問(wèn)題。降壓穩壓器對PWM調光有很多優(yōu)點(diǎn)，設計人員必須慎重考慮輸入電壓和LED的排列位置。假如調光頻率要求更高，回轉率便要更快，如此可更輕易在設計過(guò)程的初期改用降壓穩壓器來(lái)實(shí)行。