LED照明亮度控制新技术特征

前言

如今电源管理技术的发展趋势是，以太网供电技术巨大市场近在咫尺，电源IC应身兼多职，电源转换IC集成LDO和DC/DC转换器、LED/LCD/OLED驱动器以其他的功率半导体器件和电源模块。本文仅对LED/LCD/OLED驱动器中的调光控制技术问题作研讨。LED推动了照明革命，而LCD背光仍是主要LED应用。其LED已经被用于各种室内及室外装饰照明应用，而且开始盯上手电、花园灯和街灯等利基通用照明应用。这些用途为LED照明正在家庭与企业照明领域开辟市场。LED是通用照明的未来是发光效率超过100流明/瓦的高通量LED的开发，使得LED不需要逆变器就能利用交流电工作，从而推动LED更加接近主流的通用照明市场。从而背光照明的亮度控制是LED照明革命中的重要技术，于是便有下文所述的LED照明亮度控制的新技术特征与应用的分析介绍。

1、背光照明亮度控制的拓扑

背光照明亮度控制的拓扑即调光方法，包括使用低频和高频信号进行脉宽调变(PWM)、直流电压控制及电阻调光的等调光技术。值此之介绍直流电压控制及电阻调光。

1.1直流电压调光

图1是以ZETEX的ZXLD1350 驱动器为例的典型直流电压调光示意图。

其ZXLD1350 驱动器是连续电感式降压转换器，内置部开关而输出电流达350mA，输入电压范围在7V至30V之间.其特点是ZXLDl350配备多功能的调节脚，可通过控制LED的电流.以多种方式调节LED的亮度。

图1

TLV431作为分路调节器，以产生外置的1.25V电压基准。此电压基准准被运用至VRl电位以提供0-1.25V的调光电压。使用外置的调节器将影响电流设定的准确性。相对于内置电压基准，使用1%电压基准，使用1%LED电流更加准确。调节针可通过外置的直流电压(VADJ)进行过驱动，以获得超过内置的电压基准，并调整输出电流使其超出或低于额定值。此时的额定输出电流为：

请注意，100%的亮度设定与VADJ =VREF相对应。如果VIN达到最大值2.5V，则RSENSE应增加2倍RS。这将使功率小幅降低1%到2%。调节针的输入阻抗为200kV+20%。如果直流电压的输出阻抗相对较高，这可能有所影响。

1.2新的调光技术-PWM调制技术的应用

由于LED发出的光的波长与器件内被驱动的正向电流关系密切。为了防止色调变化，须精心选择调光方法。以往最常用的调光方法是改变器件上的正向电流或电压。不幸的是电流或电压的变化都会改变光的波长，这种效应与波长成本正比，较长的波长经受的色调对电流的变化最强。在很多应用中，这种结果是不能接受的，如果采用PWM调制技术，就可以给LED正确调光，不会引起波长变化。LED的通断操作是通过改变占空比实现的，这时正向电流(1F)是恒定电流。

1.21低频高频调光采用

低频调光是由于LED具备稳定的瞬时驱动电流，因此适合采用低频凋光。LED的色温在所有亮度下保持不变。低频调光的另一个优点是可将亮度降至1%。因此调光范围为100：I。而频率选择是为避免可见闪烁，脉宽凋变(PWM)信号必须大于100Hz。如果所选的频率过高，内置低通滤波器将开始合并PWM信号，并产生非线性反应。同时调节针的软启动功能将导致PWM信号的上升或下降发生延迟。这将使LED电流具备非线性特性，在频率增加时影响更为显著。

常见的低频和高频信号进行脉宽调变(PWM)示意见图2所示.该图2是以ZETEX的ZXLD1350 驱动器为例的脉宽调变(PWM)示意图。

图2

建议上限为lkHz。电感器可能的听得见的噪音的影响也需要加以考虑。某些线圈松动的电感器可能出现此类情况，PWM频率为lkHz时将比100Hz更加明显。

如果系统要求低辐射放射和输入/输出骇波，则适合采用高频调光。但调光范围将降至5：l。ZXLDl350具备整合高频脉宽调变(PWM)信号的内置低通滤波器，可进行直流调光控制。如果PWM频率高于10kHz左右，且占空比大于指定的最小值，装置将保持活动状态，输出也将持续不变.

*输入缓冲晶体管

进行PWM调光时，输入双极晶体管Q宜使用集电极开路输出(见图2所示)。以确保达到200mV的输入关闭阈值。不使用缓冲晶体管也可直接进行PWM，但必须格外谨慎。该操作将使内置的1.25V电压基准负荷过多.如果100%PWM(直流)使用2.5V输入电压，进入LED的输出电流将达到正常电流的2倍.并可能损坏ZXLDl350。使用5V逻辑信号进行过驱动将极有可能在超出调节针额定电压时损坏装置。

*软启动及去耦电容器

调节针上的任何附加电容器都将影响PWM信号上升和下降。由于上升时间将增加大约0.5ms/nF，因此需对此加以考虑。将其与100Hz PWM进行对比，50%占空比时开启时间Ton，及关闭时间Toff为5ms，1%占空比时开启时间Ton为0.Ims。调节针上的lnf将导致0.5ms的上升时间，这将造成以低占空比进行调光时出错和受到限制。

1.22利用线性以及PWM输入信号准确控制亮度

图3所示为技术应用图。采用可满足这方面需要的LM3402/02HV开关稳压器，其特点是采用高度整合的技术，而且效率较高，以及可以准确控制温度/亮度。这个方案的优点是可以准确控制亮度，而且功耗较低，所需的外置组件也最少。

图3中LM3402/02HV开关稳压器设有专用的亮度控制(DIM)接脚(见图3所示)，可以利用线性以及PWM输入信号准确控制亮度。利用发光二极管发光的照明系统普遍采用PWM的光暗控制方式控制灯光亮度，这个亮度控制方法已成为业界普遍采用的标准。只要调节正向发光二极管的电流，发光二极管的光线输出量便会按照线性方式增减，但大部分光线的波段会出现偏移现象。部分应用对颜色的要求并不十分严格，因此仍会采用线性的亮度控制方式，但汽车灯如煞车灯、液晶显示器背光以及直接显示的RGB发光二极管对亮度及色彩都有极严格的要求，因此这类应用一般都会采用PWM方式控制亮度。

图3

LM3402/02HV开关稳压器特征：输入电压范围(LM3402HV)：6V～75V，采用降压稳压器的线路布局;可为发光二极管提供恒定的驱动电流，回授电压为200mV;当RON接脚处于低电位时，停机电流便会进一步降低;准确的PWM亮度控制;开关频率高达1MHz;设有磁滞功能，而且导通时间固定，因此可以在整个输入电压范围内进行开关频率(FSW)控制。

1.23一个PWM控制的串联开关的应用

当PWM频率高于100Hz时，人眼是无法察觉单个脉冲的，但是，整合这些脉冲把它们理解为亮度，通过线性改变占空比，就可以线性改变亮度，而不会有任何波长变化。如图2所示，调节LED亮度的最常用的方法是一个PWM控制的串联开关。因为正向工作电流相对较高，所以选择开关时必须小心，确保开关能够处理传导损耗。

图4

为了克服这个问题，这个方案取消了串联开关，而且还人幅度提高了能效。图4所示为新的调光技术的框图引用了ST公司的新型技术。这项新技术存在于两个控制回路内：一个电流回路和—个电压回路(见图4所示)。当需要最大的亮度时，电流同路以稳定的正向电流驱动LED;在调光操作期间，电流控制回路将会限制最大输出电流，同时电压回路将维持输出电压低于LED阵列阈压之和。当断开LED时，电压回路将控制最大输出电压。该新的调光技术的框图。因为不再使用电源开关，我们就可以得到一个更加低廉的高效解决方案。

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