LED照明PWM调光技术.docx
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LED照明PWM调光技术
LED照明PWM调光技术
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2011/09/04|283次阅读|0次推荐|0条留言
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LED光源的单纯控制需要设计的初始阶段就要非常小心。
光源越复杂，就越要用PWM调光。
这就需要系统设计者谨慎思考LED驱动拓扑。
Buck调节器为PWM调光提供了很多优势。
如果调光频率必须很高或者信号转换率必须很快，或者二者都需要，那么Buck调节器就是最好的选择。
PWM调光是利用一个PWM信号来调节LED的亮度
LED的调光控制传统上，LED的调光是利用一个DC信号或滤液PWM对LED中的正向电流进行调节来完成的。
减小LED电流将起到调节LED光输出强度的作用，然而，正向电流的变化也会改变LED的彩色，因为LED的色度会随着电流的变化而变化。
许多应用（例如汽车和LCDTV背光照明）都不能允许LED发生任何的色彩漂移。
在这些应用中，由于周围环境中存在不同的光线变化，而且人眼对于光强的微小变化都很敏感，因此宽范围调光是必需的。
通过施加一个PWM信号来控制LED亮度的做法允许不改变彩色的情况下完成LED的调光。
人们常说的真正彩色（TrueColor）PWM调光是利用一个PWM信号来调节LED的亮度。
调节LED亮度有三种常用方法：
（1）使用SET电阻，在LED驱动控制IC引脚RSET两端并联不同的转换电阻，使用一个直流电压设置LED驱动控制IC引脚RSET的电流，从而改变LED的正向工作电流，达到调节ALED发光亮度的目的。
（2）采用PWM技术，利用PWM控制信号，通过控制LED的正向工作电流的占空比来调节ALED的发光亮度。
（3）线性调节。
最简便的方法是在LED驱动控制C中使用外部SET电阻来实现LED的调光控制。
虽然，这种调光控制方法有效，但却缺乏灵活性，无法让用户改变光强度。
线性调节则会降低效率，并引起白光LED朝向黄色光谱的色彩偏移。
可能是轻微的偏移，但可在敏感应用中检测出。
采用数字或叫PWM的LED调光控制法以大于100HZ的开关工作频率，以脉宽调制的方法改变LED驱动电流的脉冲占空比来实理LED的调光控制，选用大于100HZ开关调光控制频率主要是为了避免人眼感觉到调光闪烁现象，在LED的PWM调光控制下，LED的发光亮度正比于PWM的脉冲占空比，在这种调光控制方法下，可以在高度调光比范围内保持LED的发光颜色不变，采用PWM的LED调光控制的调光比范围可达3000:
1.
线性LED调光控制方法就是采用模拟调光控制方法，在模拟调光控制下，通过调节LED的正向工作电流来实现LED的调光控制，调光控制范围可达10:
1.
如果要进一步降低LED的正向工作电流则会产生LED发光颜色发生变化和不能准确调节控制LED的正向工作电流的问题。
脉冲宽度调制（PWM），是英文"PulseWidthModulation"的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。
由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。
不管你用Buck,Boost,Buck-Boost还是线性调节器来驱动LED,它们的共同思路都是用驱动电路来控制光的输出。
设计者主要有两个选择：
线性调节LED电流（模拟调光），或者使用开关电路以相对于人眼识别力来说足够高的频率工作来改变光输出的平均值（数字调光）。
使用脉冲宽度调制（PWM）来设置周期和占空度（图1）可能是最简单的实现数字调光的方法，并且Buck调节器拓扑往往能够提供一个最好的性能。
不管你用Buck,Boost,Buck-Boost还是线性调节器来驱动LED,它们的共同思路都是用驱动电路来控制光的输出。
一些应用只是简单地来实现"开"和"关"地功能，但是更多地应用需求是要从0到100%调节光的亮度，而且经常要有很高的精度。
设计者主要有两个选择：
线性调节LED电流（模拟调光），或者使用开关电路以相对于人眼识别力来说足够高的频率工作来改变光输出的平均值（数字调光）。
使用脉冲宽度调制（PWM）来设置周期和占空度（图1）可能是最简单的实现数字调光的方法，并且Buck调节器拓扑往往能够提供一个最好的性能。
图1:
使用PWM调光的LED驱动及其波形。
推荐的PWM调光
模拟调光通常可以很简单的来实现。
我们可以通过一个控制电压来成比例地改变LED驱动的输出。
模拟调光不会引入潜在的电磁兼容/电磁干扰（EMC/EMI）频率。
然而，在大多数设计中要使用PWM调光，这是由于LED的一个基本性质：
发射光的特性要随着平均驱动电流而偏移。
对于单色LED来说，其主波长会改变。
对白光LED来说，其相关颜色温度（CCT）会改变。
对于人眼来说，很难察觉到红、绿或蓝LED中几纳米波长的变化，特别是在光强也在变化的时候。
但是白光的颜色温度变化是很容易检测的。
大多数LED包含一个发射蓝光谱光子的区域，它透过一个磷面提供一个宽幅可见光。
低电流的时候，磷光占主导，光趋近于黄色。
高电流的时候，LED蓝光占主导，光呈现蓝色，从而达到了一个高CCT.当使用一个以上的白光LED的时候，相邻LED的CCT的不同会很明显也是不希望发生的。
同样延伸到光源应用里，混合多个单色LED也会存在同样的问题。
当我们使用一个以上的光源的时候，LED中任何的差异都会被察觉到。
LED调光目前有两种思路：
一是线性调节LED电流（即模拟调光），二是使用开关电路以相对于人眼识别力来说足够高的频率工作来改变光输出的平均值（数字调光）。
（PWM）是属于数字调光的方法。
模拟调光通常可以很简单的来实现。
但是由于LED光的特性要随着平均驱动电流而偏移。
对于单色LED来说，其主波长会改变。
对白光LED来说，其相关颜色温度（CCT）会改变。
用PWM调光则保证了LED发出设计者需要的颜色。
PWM调光也可以提高输出电流精度。
用线性调节的模拟调光会降低输出电流的精度。
通常来说，相对于模拟调光，PWM调光可以精度大于线性控制光输出。
从节能来说，没有可比性。
因为PWM是保证CCT和颜色情况下测定电流（光强），模拟调光则是不存在这个前提。
如果要牺牲这个前提来考虑节能的话，需要实测数据。
但我估计在实现同等照度的情况下，PWM会有优势。
LED生产商在他们的产品电气特性表中特别制定了一个驱动电流，这样就能保证只以这些特定驱动电流来产生的光波长或CCT.用PWM调光保证了LED发出设计者需要的颜色，而光的强度另当别论。
这种精细控制在RGB应用中特别重要，以混合不同颜色的光来产生白光。
从驱动IC的前景来看，模拟调光面临着一个严峻的挑战，这就是输出电流精度。
几乎每个LED驱动都要用到某种串联电阻来辨别电流。
电流辨别电压（VSNS）通过折衷低能耗损失和高信噪比来选定。
驱动中的容差、偏移和延迟导致了一个相对固定的误差。
要在一个闭环系统中降低输出电流就必须降低VSNS.这样就会反过来降低输出电流的精度，最终，输出电流无法指定、控制或保证。
通常来说，相对于模拟调光，PWM调光可以提高精度，线性控制光输出到更低级。
调光频率VS对比度
LED驱动对PWM调光信号的不可忽视的回应时间产生了一个设计问题。
这里主要有三种主要延迟（图2）。
这些延迟越长，可以达到的对比度就越低（光强的控制尺度）。
图2:
调光延迟
如图所示，tn表示从时间逻辑信号VDIM提升到足以使LED驱动开始提高输出电流的时候的过渡延迟。
另外，tsu输出电流从零提升到目标级所需要的时间，相反，tsn是输出电流从目标级下降到零所需要的时间。
一般来说，调光频率（fDIM）越低，对比度越高，这是因为这些固定延迟消耗了一小部分的调光周期（TDIM）。
fDIM的下限大概是120Hz,低于这个下限，肉眼就不会再把脉冲混合成一个感觉起来持续的光。
另外，上限是由达到最小对比度来确定的。
对比度通常由最小脉宽值的倒数来表示：
CR=1/tON-MIN:
1
这里tON-MIN=tD+tSU.在机器视觉和工业检验应用中常常需要更高的PWM调光频率，因为高速相机和传感器需要远远快于人眼的反应时间。
在这种应用中，LED光源的快速开通和关闭的目的不是为了降低输出光的平均强度，而是为了使输出光与传感器和相机时间同步。
用开关调节器调光
基于开关调节器的LED驱动需要一些特别考虑，以便于每秒钟关掉和开启成百上千次。
用于通常供电的调节器常常有一个开启或关掉针脚来供逻辑电平PWM信号连接，但是与此相关的延迟（tD）常常很久。
这是因为硅设计强调回应时间中的低关断电流。
而驱动LED的专用开关调节则相反，当开启针脚为逻辑低以最小化tD时，内部控制电路始终保持开启，然而当LED关断的时候，控制电流却很高。
用PWM来优化光源控制需要最小化上升和下降延迟，这不仅是为了达到最好的对比度，而且也为了最小化LED从零到目标电平的时间（这里主导光波长和CCT不能保证）。
标准开关调节器常常会有一个缓开和缓关的过程，但是LED专用驱动可以做所有的事情，其中包括降低信号转换速率的控制。
降低tSU和tSN要从硅设计和开关调节器拓扑两方面入手。
Buck调节器能够保持快速信号转换而又优于所有其它开关拓扑主要有两个原因。
其一，Buck调节器是唯一能够在控制开关打开的时候为输出供电的开关变换器。
这使电压模式或电流模式PWM（不要与PWM调光混淆）的Buck调节器的控制环比Boost调节器或者各种Buck-Boost拓扑更快。
控制开关开启的过程中，电力传输同样可以轻易地适应滞环控制，甚至比最好的电压模式或电流模式的控制环还要快。
其二，Buck调节器的电导在整个转换周期中连在了输出上。
这样保证了一个持续输出电流，也就是说，输出电容被删减掉。
没有了输出电容，Buck调节器成了一个真正的高阻抗电流源，它可以很快达到输出电压。
Cuk和zeta转换器可以提供持续的输出电感，但是当更慢的控制环（和慢频）被纳入其中的时候，它们会落后。
比开启针脚更快
即使是一个单纯的无输出电容的滞后Buck调节器，也不能满足某些PWM调光系统的需要。
这些应用需要高PWM调光频率和高对比度，这就分别需要快速信号转换率和短延迟时间。
对于机器视觉和工业检验来说，系统实例需要很高的性能，包括LCD板的背光和投影仪。
在某些应用中，PWM调光频率必须超过音频宽，达到25kHz或者更高。
当总调光周期降低到微秒级时，LED电流总上升和下降时间（包括传输延迟），必须降低到纳秒级。
让我们来看看一个没有输出电容的快速Buck调节器。
打开和关断输出电流的延迟来源于IC的传输延迟和输出电感的物理性质。
对于真正的高速PWM调光，这两个问题都需要解决。
最好的方法就是要用一个电源开关与LED链并联（图3）。
要关掉LED,驱动电流要经过开关分流，这个开关就是一个典型的n-MOSFET.IC持续工作，电感电流持续流动。
这个方法的主要缺点是当LED关闭的时候，电量被浪费掉了，甚至在这个过程中，输出电压下降到电流侦测电压。
图3:
分流电路及其波形
用一个分流FET调光会引起输出电压快速偏移，IC的控制环必须回应保持常电流的请求。
就像逻辑针脚调光一样，控制环越快，回应越好，带有滞环控制的Buck调节器就会提供最好的回应。
用Boost和Buck-Boost的快速PWM
Boost调节器和任何Buck-Boost拓扑都不适合PWM调光。
这是因为在持续传导模式中（CCM），每个调节器都展示了一个右半平面零，这就使它很难达到时钟调节器需要的高控制环带宽。
右半平面零的时域效应也使它更难在Boost或者Buck-Boost电路中使用滞后控制。
另外，Boost调节器不允许输出电压下降到输入电压以下。
这个条件需要一个输入端短电路并且使利用一个并联FET实现调光变得不可能在Buck-Boost拓扑中，并联FET调光仍然不可能或者不切实际，这是因为它需要一个输出电容（SEPIC,Buck-Boost和flyback），或者输出短电路（Cuk和zeta）中的未受控制得输入电感电流。
当需要真正快速PWM调光的时候，最好的解决方案是一个二级系统，它利用一个Buck调节器作为第二LED驱动级。
如果空间和成本不允许的时候，下一个最好的原则就是一个串联开关（图4）。
图4:
带有串联DIM开关的Boost调节器
LED电流可以被立即切断。
另外，必须要特别考虑系统回应。
这样一个开路事实上是一个快速外部退荷暂态，它断开了反馈环，引起了调节器输出电压的的上升。
为了避免因为过压失败，我们需要输出钳制电路和/或误差放大器。
这种钳制电路很难用外部电路实现，因此，串联FET调光只能用专用Boost/Buck-BoostLED驱动IC来实现。
模拟调光通常可以很简单的来实现。
但是由于LED光的特性要随着平均驱动电流而偏移。
对于单色LED来说，其主波长会改变。
对白光LED来说，其相关颜色温度（CCT）会改变。
用PWM调光则保证了LED发出设计者需要的颜色。
PWM调光也可以提高输出电流精度。
用线性调节的模拟调光会降低输出电流的精度。
通常来说，相对于模拟调光，PWM调光可以精度大于线性控制光输出。
从节能来说，没有可比性。
因为PWM是保证CCT和颜色情况下测定电流（光强），模拟调光则是不存在这个前提。
如果要牺牲这个前提来考虑节能的话，需要实测数据。
但我估计在实现同等照度的情况下，PWM会有优势。
LED光源的单纯控制需要设计的初始阶段就要非常小心。
光源越复杂，就越要用PWM调光。
这就需要系统设计者谨慎思考LED驱动拓扑。
Buck调节器为PWM调光提供了很多优势。
如果调光频率必须很高或者信号转换率必须很快，或者二者都需要，那么Buck调节器就是最好的选择。
分析便携式投影仪6ARGBLED驱动器参考设计方案
2011-08-2720:
10:
44来源:
21ic
关键字：
驱动器LEDRGB便携式投影仪
所谓便携式投影仪又称口袋式投影仪、TRT-3M便携式投影机，主要通过3MLCOSRGB三色投影光机和720P片解码技术，把传统庞大的投影机精巧化、便携化、微小化、娱乐化、实用化，使投影技术更加贴近生活和娱乐。
本参考设计针对便携式投影仪的6A降压型LED驱动器，参考设计基于PWMHBLED驱动器MAX16821,该电路可驱动一个LED;驱动RGB三色LED时需要使用三片MAX16821.
LED驱动器规格
输入电压范围（VIN）：
10V至15V
输出电压（VLED）：
4.5V至6V
输出电流（ILED）：
1.5A至6A,可模拟控制
模拟控制电压：
1.1V至2.8V,对应1.5A至6A
最大LED导通占空比：
50%
最大LED电流上升/下降时间：
<1μs
最大LED电流纹波：
6A时，<15%
输入
VIN（J1和J2接VIN+,J3和J4接GND）：
10V至15V输入电源。
通/断控制（J8）：
浮空或连接到+5V,使能驱动器；J8短路时禁电路板工作。
PWM输入（J7）：
PWM调光输入，连接一个幅度为3V至5V的PWM信号。
为了保证PWM输入能够驱动Q1和Q7,信号源在驱动300pF负载时，上升/下降时间应小于500ns.由于输出信号的上升/下降时间控制在1μs以内，任何周期为1μs的3至4倍的PWM信号都可以使用。
LED电流控制（J6）：
LED电流调节输入。
加载1.1V至2.8V电压，可以在1.5A至5A范围调整LED电流。
输出
LED+（J9、J10）：
接LED阳极。
LED-（J11、J12）：
接LED阴极。
电感电流输出（J5）：
提供一个与LED电流成比例的信号。
OUTV电压为R9电压的135倍。
图1.MAX16821LED驱动器电路板
图1.MAX16821LED驱动器电路板
PWM调光
在PWM处于关闭状态时，LED输出端的MOSFETQ9导通，LED短路。
LED电流降至零，具体取决于Q1的导通时间（本设计中远远小于1?
s）。
PWM处于关闭期间始终保持电感电流。
PWM开始导通时，Q1关闭，电感电流对输出电容充电。
输出电压一旦达到LED的起始导通电压，LED电流开始上升。
LED电流从0A上升到满幅值的时间取决于几个因素：
电感电流、输出电容以及LED的正向导通电压的变化。
本参考设计仅在LED电流设定为6A时满足<1?
sLED开启时间的要求。
如需在降低的电流时得到快速的LED开启时间，可增大电感值并减小输出电容。
反馈补偿
电阻R2和R23限制高频电流环路的增益，补偿次级谐波振荡。
在电流环路传输函数中远远低于单位增益频率的位置设置一个零点，既可以保证在低频区有足够的增益，又可以保证电感电流的误差非常小。
利用C1、C19构建该零点。
在PWM关闭、导通时，Q1和Q2交替连接到RC网络，实现补偿。
本设计可保持C1、C19的电量，使PWM响应更加迅速。
由于直接测量电感电流，驱动电路的传输函数中没有输出极点。
外部电压环路简化成一个单极点系统，而电压误差放大器在设定频率范围内确定这唯一极点。
为了避免两个反馈环路相互干扰，C21和C22将外部环路的单位增益频率降至电流环路单位增益频率的十分之一。
Q7和Q10保持补偿电容的电荷，保证在PWM脉冲变化时，电压误差放大器的输出能即刻切换至所要求的数值。
电阻R24、R25可避免Q7和Q10状态变化产生的电荷注入而导致的C21、C22充/放电。
LED电流上升/下降时间
本设计要求在PWM工作产生6ALED电流时，LED电流的上升/下降时间保持在1?
s以内。
这就要求使用较小的输出滤波电容和较大电感，在满足LED电流最大纹波的要求的前提下满足上述条件。
PWM处于关闭状态时，Q9导通，建立可编程的电感电流回路。
如果LED电流设置为6A,电感电流将由MAX16821调整在6A.输出再次导通时，电感电流对输出电容C8充电。
C8的充电速率决定了LED电流的上升时间，基于这一点计算C8的取值。
因为Q9的放电速度远快于C8,所以LED电流的下降时间远远小于1?
s.
电路波形
图3.参考设计测试数据：
LED电压（CH1）、LED电流（CH2）和OUTV电压（CH3）
图4.参考设计测试数据：
LED电压（CH1）、LED电流（CH2）和CLP电压（CH3）
图5.LED电压（CH1）和LED电流（CH2）上升时间的测试数据
图6.LED电压（CH1）和LED电流（CH2）下降时间的测试数据
测试参数
温度测量
VIN:
10V
IOUT:
6A
TA:
25°C
电路板温度：
+50°C
Q3、Q4和Q9温度：
+52°C
U1表面温度：
+47.5°C
L1磁芯温度：
+75°C（电流为5.8A时，L1温度高出环境温度40°C）
上电顺序
在VIN+和GND之间连接0至20V、5A电源（PS1）。
在J6（V_CONTROL）连接0至5V电源（PS2）。
将额定值大于6A的LED通过尽可能短的连线连接到LED+和LED-,以降低引线电感。
如果需要较长连线，请务必使用双绞线连接。
J5、J8保持开路。
打开PS2电源，输出1.1V.
逐渐增大PS1电源输出，达到10V.LED被点亮，工作在1.5A连续电流。
将一个幅度为3V至5V、30%占空比的信号连接至PWM引脚。
LED电流将由PWM信号控制通、断。
将PS2输出电压从1.1V调整到2.8V.在PWM处于导通期间，LED电流从1.5A上升到6A.
（本文转自电子工程世界：
新型PWM控制器简化大功率LED设计
作者：
时间：
2007-11-11来源:
背景
高亮度（hb）和超高亮度led通常充当lcdtft背光，应用在高档电视、工业照明和投影仪中。
另一个广泛应用的领域是许多轿车和卡车的仪表盘背光、内部照明和刹车灯。
高级轿车制造商越来越多地采用固态led照明的最新技术，通过这些更轻巧、更小型、更耐用的内部和外部照明器件来增加其2007-2008年新型汽车的美感。
相对诸如hid（高密度放电）和卤素等用于顶灯的灯泡，及其他用于内部照明的白光灯泡，在众多的优势之外，led还具有更低的长期成本和更长的使用寿命。
在高电流情况下驱动led要求有一个dc/dc控制器，以精确地调整电流，确保一致的光密度和颜色的统一性，并保护led。
此外，一个巨大的挑战是利用电池电压为一或几串led供电，电池电压可以小于、等于或大于其负载电压。
另一个考虑是要有效地对大调光比率的led进行调光，同时维持其在低和高亮度水平上的色彩特性。
此外，dc/dc驱动器的有效运行是一个关键因素，特别是在驱动高亮度led时，因为所有没有用来照明的功率将成为热损耗。
凌特公司新型的ltc3783是一款电流模式多拓扑结构转换器，具有恒流pwm调光功能，可驱动大功率led串和群集。
专有技术可提供极其快速、真实pwm的负载切换，而没有瞬态欠压或过压问题：
可以数字化地实现3000:
1的调光范围（在100hz条件下），利用truecolorpwm调光保证白色和rgbled颜色的一致。
ltc3783可使用模拟控制实现额外的100:
1调光比率。
这是一个重要的标准，因为人的眼睛对环境光细小的变化都非常敏感。
这个通用的控制器可以用作升压、降压、降压-升压、sepic或反激转换器，以及作为恒流/恒压调节器。
无电感器（norsense）的运行可使用一个mosfet导通电阻，以省去电流感测电阻和提高效率。
ltc3783的应用包括高压led阵列和led背光照明，以及电信、汽车、工业控制系统中的稳压器。
图1为一个采用升压配置的典型ltc3783电路图，可用来驱动一串大功率led。
其主要性能特点在1-5中有所说明。
图1ltc3783集成强大的mosfet驱动器，为led群集提供大输出功率
ltc3783性能和优势
•大电流:
提供大电流（1.5a），ltc3783可驱动一个外置n沟道mosfet，为高亮度和超高亮度led提供电源。
•高电压：
依据外置电源组件的不同选择，ltc3783的3v至36v输入运行和输出电压可以扩展，可轻松驱动led串（串联系列）或led群集（串联+并联）。
•保护：
该ic集成了必要的精确电流和输出电压调节，以保护高亮度le
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