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加快调光频率 PWM完成精准LED调光_0
来源:http://www.gy-pt.com 责任编辑:www.ag88.com 更新日期:2018-09-19 17:44
加快调光频率PWM完成精准LED调光 不管 LED 是经由降压、升压、降压/升压或线性稳压器驱动,衔接每一个驱动电路最常见的线程就是需求操控光的输出。如今仅有很少量的运用只需求开和关的简略功用,绝大多数都需求从0~100%去微调光度。现在,针对光度操控方面

  加快调光频率PWM完成精准LED调光

  不管LED是经由降压、升压、降压/升压或线性稳压器驱动,衔接每一个驱动电路最常见的线程就是需求操控光的输出。如今仅有很少量的运用只需求开和关的简略功用,绝大多数都需求从0~100%去微调光度。现在,针对光度操控方面,首要的两种解决方案为线性调理LED的电流(模仿调光)或在肉眼无法发觉的高频下,让驱动电流从0到方针电流值之间来回切换(数字调光)。运用脉冲宽度调变(PWM)来设定循环和作业周期可能是完成数字调光的最简略的办法,原因是相同的技能可以用来操控大部分的开关变换器。

PWM调光能分配准确色光

一般来说,模仿调光比较简单实施,这是因为LED驱动器的输出电流改动与操控电压成份额,并且模仿调光也不会引发额定的电磁兼容性(EMC)/电磁搅扰(EMI)潜在频率问题。可是,大部分规划选用PWM调光的理由都是根据LED的根本特性,即放射光的位移是与均匀驱动电流的巨细成份额(图1)。关于单色LED来说,首要光波的波长会发生改动,而在白光LED方面,呈现改动的是相对色温(CCT)。关于人们的肉眼来说,很难发觉出红、绿或蓝光LED中的奈米波长改动,特别是当光的强度也同样在改动,可是白光的色温改动则比较简单发觉出来。大多数的白光LED都包含一片可放射出蓝光频谱光子的晶圆,这些光子在碰击磷光涂层后便会放射出各种可见光范围内的光子。在较小的电流下,磷光会成为主导并使光线倾向黄色;而在较大电流下,LED放射出来的蓝光则较多,使得光线倾向蓝色,一起也会发生较高的CCT。关于运用超越一个白光LED的运用,在两个相邻LED之间呈现的CCT差异会很明显,且视觉令人不悦,此概念可以进一步延伸将多个单色LED光线混和在一起的光源。一旦超越一个光源,任何呈现在它们之间的CCT差异都会令人感到扎眼。

  


图1选用PWM调光的LED驱动器及波形

  


LED制作商会在其产品的电流特性表中指定驱动电流的巨细,其只会在这些特定电流条件下对产品的主波长或CCT供给保证。PWM调光的长处在于彻底毋须考虑光的强弱,也能保证LED放射出规划人员所需的色彩。这种准确的操控关于红绿蓝(RGB)运用特别重要,因为这些运用是将不同色彩的光线混和以发生白光。

从驱动器集成电路的视点看,模仿调光面对着输出电流准确性的严峻应战。简直一切的LED驱动器都在输出端参加某种方法的串行电阻来侦测电流,而所选用的电流感测电压VSNS会发生一个和谐效果,使电路能坚持高信号讯噪比(SNR),一起坚持低功耗,由驱动器中的容极限、偏移和推迟所引致的差错则相对坚持固定。要在封闭回路体系中下降输出电流,就必需求调降VSNS,但如此一来,输出电流的准确性便会下降,直至VSNS的绝对值等于差错电压停止,最终,输出电流会变得无法操控,方针输出电流将不能被断定或保证。一般来说,PWM调光除了可以进步准确性之外,关于低阶光输出的线性操控也较模仿调光强。

调光频率与对比度成反比

关于PWM调光信号而言,每个LED都有约束的呼应时刻,图2表明三种不同的推迟,推迟愈大者表明能到达的对比度就愈低(对光强度操控的一种测量办法)。

  


图2调光推迟

  


图2中的时刻量tD表明由逻辑信号VDIM上升开端,至LED驱动器开端添加输出电流开端之间的传达推迟,而时刻量tSU则表明输出电流由0变换到方针电流所需的时刻,至于时刻量tSD代表输出电流从方针电流变换回0所需的时刻。在大多数的状况下,调光频率fDIM愈低,对比度就愈高,这是因为这些固定推迟只会占用少部分的调光周期TDIM。调光频率fDIM的下限约为120Hz,假设低于此频率,眼睛便不能再将脉冲混和成一个可见的接连光线。至于上限则取决于最低对比度的要求,对比度一般被表明成最低导通时刻的倒数。
CR=1 / tON-MIN:1
tON-MIN =tD+tSU

机械视觉辨识和工业查验等运用一般都需求较高的PWM调光频率,主因为高速开麦拉和传感器的反应速度比人类眼睛快许多。在这类运用中,关于LED光源进行高速开和关的意图不是要下降均匀的光输出量,而是要将光输出与传感器或开麦拉的捕捉时刻进行同步化。

运用开关稳压器来调光

为了到达每秒开关数百次或乃至数千次,以开关稳压器为根底的LED驱动器,须经过特别的规划考虑。针对规范电源供给而规划的稳压器一般都会规划一根「发动」或封闭接脚,以便供逻辑PWM信号运用,但连带的推迟tD则颇长,这是因为硅芯片的规划强调在呼应时刻内坚持低停机电流。可是,专用来驱动LED的开关稳压器则恰好相反,它可在「发动」接脚逻辑低时,坚持内部操控电路的活动,以将tD减至最低,而当LED被关关时,则会面对较大作业电流的困扰。

在运用PWM来到达光操控最佳化时,要把转上(Slew-up)和转下(Slew-down)推迟坚持在最低,这不单为了取得最佳的对比度,并且还可削减LED花在由0到方针所需的时刻。(在此条件下,并不保证主波长或CCT与方针值相同)在这儿的规范开关稳压器将设有一个软发动,一般也调配一个软封闭,而专用的LED驱动器会在其操控之内履行一切作业以削减这些反转率(Slew Rate)。要下降tSU和tSD,需求一起从硅芯片的规划和开关稳压器所选用的拓扑着手。

具有较快速反转率的降压稳压器,比其它一切的开关拓扑结构在两个当地体现更为优异,首要降压稳压器是仅有可在操控开关发动时,将功率输送到输出端的开关变换器,此特色使得电压形式或电流形式PWM(这儿不要与PWM调光混杂)的降压稳压器之操控回路,比起升压稳压器或其它降压/升压拓扑更为快速。此外,在操控开关发动期间的功率传输可以容易改为磁滞操控,使其速度乃至比最佳的电压形式或电流形式操控的回路更快。其次,降压稳压器的电感器在整个开关周期内都是衔接在输出端,此可保证输出电流的接连性,也意谓毋须运用输出电容器。少了输出电容器后,降压稳压器便可成为真实的高阻抗电流源,可以敏捷变换输出电压。邱克型(Cuk)和Zeta变换器虽可供给接连性输出电感器,但因为它们的操控回路较慢,功率也较低,因而并非最佳挑选。

PWM比「发动」接脚更怏快

即就是一个没有输出电容器的纯磁滞降压稳压器,都不足以敷衍某些PWM调光体系的要求,这些运用需求较高的PWM调光频率、高对比度,也就是要求更快速的反转率和更时间短的推迟时刻。与机械视觉辨识和工业查验体系调配运用时,举例某些要求高性能的体系,包含液晶(LCD)面板和单枪投影机的背光照明体系,在某些状况下,PWM调光频率有必要被调高到可听频带以外的25kHz或更高的频带,跟着全体的调光周期已缩短至几微秒内,包含传导推迟在内,LED电流的上升和下降时刻总和有必要缩短至奈秒内。

从一个没有输出电容器的快速降压稳压器着手,呈现在输出电流敞开和封闭的推迟,是来自集成电路自身的传导推迟和输出电感器的物理特性。若要到达真实高速的PWM调光,两个推迟都须被略过(By Pass)。要完成这个方针,最佳办法就是选用一个与LED并联的电源开关(图3)。当LED封闭时,驱动电流便会分流经过开关,效果就好像一个典型的N型金属氧化半导体场效晶体管(N-MOSFET),这时集成电路会继续运转,而电感器电流也会继续活动。该办法的最大缺陷在于LED封闭时,即便期间的输出电压下降到与电流感测电压相同,仍会糟蹋功率。

  


图3分路FET电路和其波形

  


运用分路场效应晶体管(FET)来进行调光会导致输出电压呈现急遽的移位,这使得集成电路的操控回路有必要作出呼应,以测验坚持输出电流的安稳。正好像逻辑接脚调光般,操控回路愈快表明呼应愈好,而选用磁滞操控的降压稳压器则可供给最佳的回应。

运用升压和降压/升压完成快速的PWM调光

不管是升压稳压器或任何类型的降压/升压拓扑都不太合适用在PWM调光。在开端规划的时分,会发觉两者在接连导通形式(CCM)下都会展示一个右半平面零点(Right-half Plane Zero)约束,这将无法到达频率稳压器所需的高操控回路频宽要求。此外,右半平面零点的时域效应还会使体系难以磁滞方法去操控升压或降压/升压电路;另一个使状况变得更为杂乱的要素是升压稳压器不能容忍输出电压下降到输入电压以下,这种状况会导致在输入端发生短路,使得并排FET调光无法实施。别的,在各类的降压/升压拓扑技能中,并排FET调光依然窒碍难行或极难运用,主因在于它需求输出电容器(SEPIC、降压/升压和返驰式),又或在输出短路时会呈现无法操控的输入电感器电流(Cuk和Zeta)。
假设真的需求一个快速的PWM调光,最佳的解决方案是选用两级体系,并以降压稳压器作为第二级LED驱动级。不过,若尺度空间和本钱都不容许,退而求其次的最佳挑选就是图4中的串行开关。

  


图4选用串行调光开关的升压稳压器

  


尽管LED电流可在瞬间封闭,但须细心考虑体系的呼应,这种开放电路其实可当作一个快速的极点卸载瞬时,它还会中止回馈回路并导致稳压器的输出电压无止境上升。因而,需求在输出和/或差错放大器参加箝位电路,以防备超载电压所形成的危害,但因为这些箝位电路难以用外部电路的方法完成,也就是说串行式FET调光有必要合作专用升压与降压/升压LED驱动器集成电路才可运用。

要有用操控LED光源,有必要在开端时的规划进程就加倍当心,光源愈是精细,需求选用PWM调光的时机就愈大,而体系规划人员也有必要慎重考虑有关LED驱动器的拓扑结构问题。降压稳压器对PWM调光有许多长处,规划人员有必要慎重考虑输入电压和LED的摆放方位。假设调光频率要求更高,反转率便要更快,如此可更容易在规划进程的初期改用降压稳压器来实施。 (修改:仰视星空)

  
 

  

   PWMLED调光

 
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