led灯调光原理分析对比.doc

看到论坛上有朋友问起LED调光原理，正好手头上有一份这样的资料，发上来大家一起看看。帖子主要对大电流LED调光原理进行了对比分析，是一篇不错的文章。一般来说，LED调光技术的运用不仅可以提高对比度，还可以减少耗电量。下面将对大电流LED调光原理进行对比分析。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。LED调光范围在PWM调光中，LED正向电流以受控的占空比(DDim)进行开/关(ON/OFF)，以达到想要的亮度级别。DDim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。ILED_Max=DDim_MaxILED (1)ILED_Min=DDim_MinILED (2)其中，ILED为LED电流，ILED_Max为LED电流的平均最高值，ILED_Min为LED电流的平均最低值，DDim_Max为最大调光占空比，DDim_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=DDim_Max/DDim_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FDim，DDim_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;DDim_Min表示最小占空比，即LED电流由零升至所需的正向电流(IF)的时间。从图1(a)可见，DDim_Max和DDim_Min用式5表示。DDim_Max=(T-tSD)/T (4)DDim_Min=(tD+tSU)/T (5)其中，T为调光周期(T=1/FDim)，tD为从DIM脉冲上升沿到电源FET第一个脉冲之间的延迟，tSU为LED电流从零升至所需电流的上升时间，tSD为从DIM脉冲的下降沿到LED电流等于零之间的下降时间。1.jpg(19.03 K)2009-12-17 10:30:04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DDim_Max、DDim_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(tD，tSU&tSD)。tD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。tSU和tSD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IF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tD和tSD，因此要优于使能调光。不过，这种方法的tSU较大，在高调光频率下所能达至的调光范围比较小。并行调光方案(图1b(C)把一个分流开关与LED并联在一起。一旦将这个开关设置成OFF或ON，立刻会有电流IF流进或者流出LED。并行调光能明显减少tD、tSU和tSD，因为它可长期维持连续的电感器电流，这个电流的平均值大约等于所需的LED正向电流。因此，这种调光配置适合那些在高调光频率下要求宽调光范围的应用。但是，并行调光必须配合开关稳理器拓朴来使用，因为只有这种布局才可提供连续的输出电感器电流。此外，由于分流开关(shunt switch)的功率耗散，这种方式将降低整体系统的效率。下文将探讨与固定频率、磁滞和固定导通时间降压式LED驱动器一起工作时，使能调光和并行调光方案的性能。固定频率降压LED驱动器的调光固定频率电流模式降压LED驱动器的简化框图如图2所示。驱动器可通过选用Enable_Dim控制或Shunt_Dim控制，配置成使能调光或并行调光。图3表示图2中的LED驱动器的典型使能调光波形，这些波形是用LM3045(1A的16MHz固定频率LED驱动器)来产生的。2.jpg(16.86 K)2009-12-17 10:30:04图2：固定频率的电流模式降压LED驱动器的简化框图。在图3中，从DIM脉冲的上升沿到电源FET第一个脉冲，大约有50s的延迟tD。这个延迟正如前面所说与启动稳压器的电路有关。与LED电流由零到5A的上升时间有关的时延tSU，其测量出来的数值约为25s，这个延迟很大程度受到了图2中固定频率LED驱动器的固有控制环路频宽限制的影响。tSD也是LED电流下降至零的DIM脉冲下降沿，其数值约为2.5s。这个延迟则受开关稳压器的电感器大小和LED正向电压降的影响。3.jpg(22.79 K)2009-12-17 10:30:04图3：图3中LED驱动器的典型使能调光波形(Vin=10V， IF=0.5A， Fsw=1.6MHz, FDim= 5kHz, DDim=50%)。图4给出了图2中的LED驱动器的并行调光波形。这种配置可以完全消除tD，因为驱动器会长期处于开关状态。此外，它还可以消除tSD，因为当开关被设置成ON时(Shunt_Dim为高)，电感器电流IL几乎是立刻转向从LED流入分流开关。另一方面，测度出来的tSU大约为10s，这仍是一个相对比较大的延迟。总的来说，在高调光频率下，采用固定频率LED驱动器的并行调光不会显著增加调光范围，因为驱动器控制环路的动态响应是有限制的。4.jpg(32.59 K)2009-12-17 10:30:04图4：图3中的LED驱动器的并行调光波形(Vin=10V, IF=0.5A, Fsw=1.6MHz, FDim= 20KHz, DDim=50%)。 LED调光原理对比分析（二）磁滞降压LED驱动器的调光磁滞降压LED驱动器的简化框图如图5所示，它可被配置成使能调光或并行调光。图6波形由LM3485磁滞降压控制器产生，这些波形清楚地显示调光延迟明显减少了。tD减少的原因是Enable_Dim控制被用来直接启动和导通电源FET门驱动器。tSU减少的原因是磁滞控制的方法消除了因固定频率操作而导致的动态响应限制。tSD则没有明显变化。5.jpg(11.01 K)2009-12-17 10:33:03图5：磁滞降压LED驱动器的简化框图。6.jpg(24.88 K)2009-12-17 10:33:03图6：图6中磁滞降压LED驱动器的使能调光波形 (Vin=20V, IF=0.7A, Fsw=750 KHz, FDim= 20KHz, DDim=50%)。图7是图5中的磁滞LED驱动器的并行调光波形。这些波形表示所有的调光延迟都已经明显减少，从而在高调光频率下获得宽阔的调光范围。在小空间内，采用带有磁滞LED驱动器的并行调光，的确能在高调光频率下达到非常宽阔的调光范围。不过，磁滞式控制存在一个缺点，即驱动器的开关频率将随着输入电压的改变而大幅变化。7.jpg(29.07 K)2009-12-17 10:33:03图7：图6中的磁滞降压LED驱动器的并行调光波形 (Vin=20V, IF=0.7A, Fsw=750 KHz, FDim= 20KHz, DDim=50%)。固定导通时间降压LED驱动器固定导通时间降压驱动器采用基于比较器和单次启动定时器(one-shot on-timer)的控制架构，并对反馈引脚(FB)的电压与内部基准电压进行比较。如果FB电压低于基准电压，降压开关便会导通，导通时间由输入电压和一个编程电阻器(Ron)决定。导通时间之后，开关在一段固定的时间内保持断开，或者一直断开，直到FB电压再次下降至低于基准电压。然后，降压开关为另一个导通周期而再次导通。由于这个导通时间是经过编程的，所以与输入电压成反比，以尽量减少线电压改变时开关频率的变化。固定导通时间降压LED驱动器的简化框图如图8所示，它可被配置成使能调光或并行调光。图9的波形由LM3404(1A固定导通时间降压稳压器)产生。与磁滞式降压驱动器类似，tD减少了但tSD没有明显变化。此外，一旦Enable_Dim为高，导通时间驱