大电流LED调光方法的对比分析

 对比度一般都被定义为系统可产生出的最亮色彩(白色)与最暗色彩(黑色)的发光度比率。可以通过控制进入的正向电流来调节LED的亮度级别，即模拟调光。LED的色彩可以随着正向电流的变化而位移，因此对于一些可容忍色彩位移的低档照明系统而言，模拟调光不失为一个合适的选择。但是，对于基于LED的LCD显示屏等的高端应用来说，为获得想要的色彩一致性和各种亮度级别，就必须采用更复杂的调光技术。针对高端应用的LED驱动器一般都采用固定频率工作模式与PWM调光机制。在PWM调光中，LED正向电流以减少的占空比在0%至100%间转换，以进行亮度控制。然而，PWM调光信号的频率必须大于100Hz，以免出现闪烁或抖动。为尽量降低可听到噪声和辐射，高端照明系统的调光频率范围一般要求几万赫兹。可是，更高的调光频率将大幅缩小驱动的调光范围，反而降低系统的最大亮度。本文将探讨在固定频率、时间延迟磁滞控制和固定导通时间的降压式LED驱动器中，高频PWM调光技术的性能表现，并通过测试数据来衡量不同配置下的性能。

 调光范围

 在PWM调光中，LED正向电流以受控的占空比(D_Dim)进行开/关(ON/OFF)，以达到想要的亮度级别。D_Dim的动态范围定义了PWM调光配置所能实现的最大亮度级别。如上所述，LED亮度与LED正向电流成比例，因此，在使用PWM调光配置时所得到的最高和最低LED电流平均值分别由式1和式2表示。

 I_{LED_Max}=D_{Dim_Max}×I_LED (1)

 I_{LED_Min}=D_{Dim_Min}×I_LED (2)

 其中，I_LED为LED电流，I_{LED_Max}为LED电流的平均最高值，I_{LED_Min}为LED电流的平均最低值，D_{Dim_Max}为最大调光占空比，D_{Dim_Min}为最小调光占空比。因此，最高和最低LED明亮的比率，又被看作PWM调光范围，用式3表示。

 调光范围=D_{Dim_Max}/D_{Dim_Min} (3)

 式3表示PWM调光范围与最大、最小调光占空比之间的关系。对于给定的调光频率F_Dim，D_{Dim_Max}表示最大占空比，即LED电流在下一个调光周期开始前，从所需的正向电流降低至零的时间；D_{Dim_Min}表示最小占空比，即LED电流由零升至所需的正向电流(I_F)的时间。

 从图1(a)可见，D_{Dim_Max}和D_{Dim_Min}用式5表示。

 D_{Dim_Max}＝(T-t_SD)/T (4)

 D_{Dim_Min}＝(t_D+t_SU)/T (5)

 其中，T为调光周期(T=1/F_Dim)，t_D为从DIM脉冲上升沿到电源FET第一个脉冲之间的延迟，t_SU为LED电流从零升至所需电流的上升时间，t_SD为从DIM脉冲的下降沿到LED电流等于零之间的下降时间。

图1(a)：最大和最小的PWM调光占空比；图1(b)：最常用的PWM调光配置。

 式4和式5表达了D_{Dim_Max}、D_{Dim_Min}与LED驱动器的传动(power-train)特性和PWM调光方案之间的关系。下文将讨论几种不同的PWM调光方案。

 PWM调光方案

 可以采用多个不同的电路来实现正向LED电流的开/关切换，图1(b)是最常用的PWM调光配置。

 在使能调光方案(图1b(A))中，LED电流的开/关是通过把开关稳压器或者电源FET驱动器设置成使能(Enable)或失效(Disable)来实现的。使能调光的缺点是调光延迟较大(t_D，t_SU&t_SD)。t_D指需要启动开关稳压器电路所需的时间。如果利用调光信号去开/关电源FET驱动器，而不是去开关稳压器，则可以消除这种延迟。t_SU和t_SD指电感器电流上升至所需LED电流，并将电流下降到零电流所需的时间，这种延迟很大程度视乎LED驱动器的传动特性。使能调光方案可以在低调光频率下提供较大的调光范围。但是，由于调光延迟比较大，如果增加调光频率，会明显降低调光范围。

 串行调光方案(图1b(B))将一个开关与LED串联在一起，这样，LED电流从I_F和零之间的切换将随着串联开关的导通(ON)和断开(OFF)来执行。在这种配置中，当串行开关器导通时，峰值检测器被用来确保电压信号在反馈引脚(FB)处的连续性。串行调光没有延迟时间t_D和t_SD，因此要优于使能调光。不过，这种方法的t_SU较大，在高调光频率下所能达至的调光范围比较小。