led燈調(diào)光原理分析對比

1、看到論壇上有朋友問起 LED調(diào)光原理，正好手頭上有一份這樣的資料，發(fā)上來大家一起看看。帖子主要對大電流LED調(diào)光原理進行了對比分析，是一篇不錯的文章般來說，LED調(diào)光技術(shù)的運用不僅可以提高對比度，還可以減少耗電量。下面將對大電流 LED調(diào)光原理進行對比分析。對比度一般都被定義為系統(tǒng)可產(chǎn)生出的最亮色彩 （ 白色 ）與最暗色彩 （ 黑 色）的發(fā)光度比率。可以通過控制進入的正向電流來調(diào)節(jié)LED的亮度級別，即模擬調(diào)光。LED的色彩可以隨著正向電流的變化而位移，因此對于一些可容 忍色彩位移的低檔照明系統(tǒng)而言，模擬調(diào)光不失為一個合適的選擇。但是， 對于基于LED的LCD顯示屏等的高端應用來說，為獲得想要的

2、色彩一致性和 各種亮度級別，就必須采用更復雜的調(diào)光技術(shù)。針對高端應用的LED驅(qū)動器一般都采用固定頻率工作模式與PWMS光機制。在PWMS光中，LED正向電流以減少的占空比在 0%至100%間轉(zhuǎn)換，以進行亮度控制。然而，PWMS光信號的頻率必須大于100Hz,以免出現(xiàn)閃爍或抖動。為盡量降低可聽到噪聲和 輻射，高端照明系統(tǒng)的調(diào)光頻率范圍一般要求幾萬赫茲?？墒牵叩恼{(diào)光 頻率將大幅縮小驅(qū)動的調(diào)光范圍，反而降低系統(tǒng)的最大亮度。本文將探討在 固定頻率、時間延遲磁滯控制和固定導通時間的降壓式LED驅(qū)動器中，高頻PWMB光技術(shù)的性能表現(xiàn)，并通過測試數(shù)據(jù)來衡量不同配置下的性能。LED調(diào)光范圍在PWMS光中，

3、LED正向電流以受控的占空比 (DDim)進行開/關(guān)(ON/OFF),以達到想要的亮度級別。DDim的動態(tài)范圍定義了 PWMS光配置所能實現(xiàn)的最大亮度級別。如上所述，LED亮度與LED正向電流成比例，因此，在使用PWM調(diào)光配置時所得到的最高和最低LED電流平均值分別由式 1和式2表示。ILED_Max=DDim_MOXILE D (1)ILED_Min=DDim_MiA ILED (2)其中，ILED為LED電流，ILED_Max為LED電流的平均最高值，ILED_Min為LED電流的平均最低值，DDim_Max為最大調(diào)光占空比，DDim_Min為最小調(diào)光占空比。因此，最高和最低LED明亮的比

4、率，又被看作 PW碉光范圍，用式 3 表示。調(diào)光范圍 =DDim_Max/DDim_Min (3)式3表示PW碉光范圍與最大、最小調(diào)光占空比之間的關(guān)系。對于給定的調(diào)光頻率FDim, DDim_Max表示最大占空比， 即LED電流在下一個調(diào)光周期開始前，從所需的正向電流降低至零的時間 ;DDim_Min 表示最小占空比，即LED電流由零升至所需的正向電流(IF)的時間。從圖1(a)可見，DDim_Max和DDim_Min用式5表示。DDim_Max=(T-tSD)/T (4)DDim_Mi n=(tD+tSU)/T 其中，T為調(diào)光周期(T=1/FDim) , tD為從DIM脈沖上升沿到電源 FE

5、T第一個脈沖之間的延遲，tSU為LED電流從零升至所需電流的上升時間，tSD為從DIM脈沖的下降沿到LED電流等于零之間的下降時間。圖1(a):最大和最小的PW碉光占空比；圖1(b):最常用的PW碉光配式4和式5表達了 DDim_MaxDDim_Min與LED驅(qū)動器的傳動(power-train)特性和PW碉光方案之間的關(guān)系。下文將討論幾種不同的PW碉光方案PW碉光方案可以采用多個不同的電路來實現(xiàn)正向LED電流的開/關(guān)切換，圖1(b)是最常用的PWM調(diào)光配置。在使能調(diào)光方案(圖1b(A)中，LED電流的開/關(guān)是通過把開關(guān)穩(wěn)壓器或 者電源FET驅(qū)動器設置成使能(Enable)或失效(Disabl

6、e)來實現(xiàn)的。使能調(diào)光 的缺點是調(diào)光延遲較大 (tD ， tSU&tSD) 。 tD 指需要啟動開關(guān)穩(wěn)壓器電路所需 的時間。如果利用調(diào)光信號去開/關(guān)電源FET驅(qū)動器，而不是去開關(guān)穩(wěn)壓器，則可以消除這種延遲。tSU和tSD指電感器電流上升至所需 LED電流，并將 電流下降到零電流所需的時間，這種延遲很大程度視乎LED驅(qū)動器的傳動特性。使能調(diào)光方案可以在低調(diào)光頻率下提供較大的調(diào)光范圍。但是，由于調(diào) 光延遲比較大，如果增加調(diào)光頻率，會明顯降低調(diào)光范圍。串行調(diào)光方案(圖1b(B)將一個開關(guān)與LED串聯(lián)在一起，這樣，LED電流 從IF和零之間的切換將隨著串聯(lián)開關(guān)的導通(ON)和斷開(OFF)來執(zhí)行。在這

7、種配置中，當串行開關(guān)器導通時，峰值檢測器被用來確保電壓信號在反饋引 腳(FB)處的連續(xù)性。串行調(diào)光沒有延遲時間tD和tSD，因此要優(yōu)于使能調(diào)光。 不過，這種方法的 tSU 較大，在高調(diào)光頻率下所能達至的調(diào)光范圍比較小。并行調(diào)光方案(圖1b(C)把一個分流開關(guān)與 LED并聯(lián)在一起。一旦將這 個開關(guān)設置成 OFF或ON立刻會有電流IF流進或者流出LED并行調(diào)光能明 顯減少tD、tSU和tSD，因為它可長期維持連續(xù)的電感器電流，這個電流的 平均值大約等于所需的 LED正向電流。因此，這種調(diào)光配置適合那些在高調(diào)光頻率下要求寬調(diào)光范圍的應用。但是，并行調(diào)光必須配合開關(guān)穩(wěn)理器拓樸 來使用，因為只有這種布局

8、才可提供連續(xù)的輸出電感器電流。此外，由于分 流開關(guān)(shunt switch)的功率耗散，這種方式將降低整體系統(tǒng)的效率。下文將探討與固定頻率、磁滯和固定導通時間降壓式LED驅(qū)動器一起工作時，使能調(diào)光和并行調(diào)光方案的性能。固定頻率降壓LED驅(qū)動器的調(diào)光固定頻率電流模式降壓 LED驅(qū)動器的簡化框圖如圖 2所示。驅(qū)動器可通過選用Enable_Dim控制或Shunt_Dim控制，配置成使能調(diào)光或并行調(diào)光。圖3表示圖2中的LED驅(qū)動器的典型使能調(diào)光波形，這些波形是用LM3045(1A的16MHz固定頻率LED驅(qū)動器)來產(chǎn)生的。圖2:固定頻率的電流模式降壓LED驅(qū)動器的簡化框圖在圖3中，從DIM脈沖的上升

9、沿到電源 FET第一個脈沖，大約有 50卩s的延遲tD。這個延遲正如前面所說與啟動穩(wěn)壓器的電路有關(guān)。與LED電流由零到5A的上升時間有關(guān)的時延 tSU,其測量出來的數(shù)值約為25卩s，這個延遲很大程度受到了圖 2中固定頻率LED驅(qū)動器的固有控制環(huán)路頻寬限制的影 響。tSD也是LED電流下降至零的 DIM脈沖下降沿，其數(shù)值約為 2.5卩s。這 個延遲則受開關(guān)穩(wěn)壓器的電感器大小和LED正向電壓降的影響。ri-畑誓*elSOOnAMM-SOT砂鴻丘圖3:圖3中LED驅(qū)動器的典型使能調(diào)光波形 (Vin=10V， IF=0.5A，F(xiàn)sw=1.6MHz, FDim= 5kHz, DDim=50%)。圖4給出

10、了圖2中的LED驅(qū)動器的并行調(diào)光波形。這種配置可以完全消除tD，因為驅(qū)動器會長期處于開關(guān)狀態(tài)。此外，它還可以消除tSD，因為當開關(guān)被設置成 ON時(Shunt_Dim為高)，電感器電流IL幾乎是立刻轉(zhuǎn)向從 LED流入分流開關(guān)。另一方面，測度出來的tsu大約為10卩s,這仍是一個相對比較大的延遲?？偟膩碚f，在高調(diào)光頻率下，采用固定頻率LED驅(qū)動器的并行調(diào)光不會顯著增加調(diào)光范圍，因為驅(qū)動器控制環(huán)路的動態(tài)響應是有限制的。 FU i 下-7_*| JhlttQAMb7訶-溯，鮒.團iT4L圖4:圖3中的LED驅(qū)動器的并行調(diào)光波形(Vin=10V, IF=0.5A,Fsw=1.6MHz, FDim= 2

11、0KHz, DDim=50%)。遵I更團LED調(diào)光原理對比分析(二)磁滯降壓LED驅(qū)動器的調(diào)光磁滯降壓LED驅(qū)動器的簡化框圖如圖 5所示，它可被配置成使能調(diào)光或并行調(diào)光。圖6波形由LM3485磁滯降壓控制器產(chǎn)生，這些波形清楚地顯示調(diào)光延遲明顯減少了。tD減少的原因是Enable_Dim控制被用來直接啟動和導通電源FET門驅(qū)動器。tSU減少的原因是磁滯控制的方法消除了因固定頻率操作而導致的動態(tài)響應限制。tSD則沒有明顯變化。圖5:磁滯降壓LED驅(qū)動器的簡化框圖圖6:圖6中磁滯降壓LED驅(qū)動器的使能調(diào)光波形(Vin=20V, IF=0.7A,Fsw=750 KHz, FDim= 20KHz, DD

12、im=50%)。圖7是圖5中的磁滯LED驅(qū)動器的并行調(diào)光波形。這些波形表示所有的 調(diào)光延遲都已經(jīng)明顯減少，從而在高調(diào)光頻率下獲得寬闊的調(diào)光范圍。在小 空間內(nèi)，采用帶有磁滯 LED驅(qū)動器的并行調(diào)光，的確能在高調(diào)光頻率下達到 非常寬闊的調(diào)光范圍。不過，磁滯式控制存在一個缺點，即驅(qū)動器的開關(guān)頻 率將隨著輸入電壓的改變而大幅變化。圖7:圖6中的磁滯降壓LED驅(qū)動器的并行調(diào)光波形(Vin=20V, IF=0.7A,Fsw=750 KHz, FDim= 20KHz, DDim=50%)。固定導通時間降壓 LED驅(qū)動器固定導通時間降壓驅(qū)動器采用基于比較器和單次啟動定時器 (one-shoton-timer)

13、 的控制架構(gòu)，并對反饋引腳 (FB) 的電壓與內(nèi)部基準電壓進行比較。如果FB電壓低于基準電壓， 降壓開關(guān)便會導通， 導通時間由輸入電壓和一個編程電阻器 (Ron) 決定。導通時間之后，開關(guān)在一段固定的時間內(nèi)保持斷開，或者一直斷開，直到 FB電壓再次下降至低于基準電壓。然后，降壓開關(guān)為另一個導通周期而再次導通。由于這個導通時間是經(jīng)過編程的，所以與輸入電壓成反比，以盡量減少線電壓改變時開關(guān)頻率的變化。固定導通時間降壓 LED驅(qū)動器的簡化框圖如圖 8所示，它可被配置成使 能調(diào)光或并行調(diào)光。圖9的波形由LM3404(1A固定導通時間降壓穩(wěn)壓器)產(chǎn)生。 與磁滯式降壓驅(qū)動器類似， tD 減少了但 tSD 沒有明顯變化。此外