- 探討切換式LED驅(qū)動(dòng)器調(diào)光技術(shù)
- LED 調(diào)光方式
- 調(diào)整 RSNS 進(jìn)行模擬調(diào)光
- 調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)器
- 使用分路裝置進(jìn)行快速PWM 調(diào)光
- 在 CS 接腳上驅(qū)動(dòng) DC 電壓進(jìn)行模擬調(diào)光
在 LED 照明設(shè)備數(shù)量增長(zhǎng)的趨勢(shì)下，提供給 LED 受控電源的集成電路裝置不斷推陳出新。如何節(jié)省能源是目前全球的重要議題，而耗電的線性電流源早已不符合這項(xiàng)要求，因此切換式 LED 驅(qū)動(dòng)器取而代之成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。從手電筒到體育館計(jì)分板等各式應(yīng)用都要求可準(zhǔn)確控制調(diào)節(jié)電流。在許多實(shí)例中我們發(fā)現(xiàn)還需要可實(shí)時(shí)變更 LED 輸出強(qiáng)度的機(jī)制。此功能就是所謂的“調(diào)光控制”。本文在于說(shuō)明基本 LED 理論以及數(shù)種用于切換式 LED 驅(qū)動(dòng)器的調(diào)光控制技術(shù)。
LED 亮度與色溫
LED 亮度
測(cè)量 LED 可見(jiàn)光亮度的單位為光通量“強(qiáng)度”，燭光 (cd)。測(cè)量 LED 總電源輸出的單位則為流明 (lm) 量。此外我們也必須了解平均正向 LED 電流會(huì)決定 LED 的亮度。
LED 色溫
色溫是一種度量方法，說(shuō)明 LED 射出的光色彩，并且可在 LED 數(shù)據(jù)表上數(shù)量化這些信息。特定 LED 的色溫將被指定于某范圍內(nèi)，而且會(huì)根據(jù)正向電流、接面溫度以及使用時(shí)間的不同而有所變化。低色溫的光線偏紅黃(暖色溫)，而較高數(shù)值的色溫則偏藍(lán)綠(冷色溫)。許多有顏色的 LED 會(huì)指定主波長(zhǎng)而取代指定色溫，而且提供波長(zhǎng)的位移量。
LED 調(diào)光方式
用來(lái)調(diào)節(jié) LED 亮度的切換式驅(qū)動(dòng)器電路有兩種最常見(jiàn)的方式有兩種：脈沖寬度調(diào)變調(diào)光 (PWM Dimming) 與模擬調(diào)光 (Analog Dimming)。這兩種方式都是透過(guò) LED 或 LED 燈串來(lái)控制平均電流，但是仔細(xì)比較這兩種調(diào)光技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)其中的明顯差異。
Vin 必須要高于 LED + RSNS 的總電壓。電感器電流為 LED 電流。藉由監(jiān)測(cè) CS 接腳的電壓就可調(diào)節(jié)電流。CS 開(kāi)始降低至設(shè)定電壓之下時(shí)，通過(guò) L1 的電流脈沖工作周期(造成 LED 與 RSNS 增加)會(huì)增加平均LED 電流。為控制器的 CS 電壓選擇正確的 RSNS 就可設(shè)定 LED 電流。
模擬調(diào)光
LED 模擬調(diào)光意指調(diào)整每一周期 LED 電流。簡(jiǎn)單的說(shuō)，這是一種調(diào)整“恒定”LED 電流層級(jí)的方式。只要調(diào)整電流感應(yīng)電阻 RSNS，或是在 IC 的部份 DIM 功能接腳上驅(qū)動(dòng)模擬電壓，就可完成模擬調(diào)光。圖 1 說(shuō)明兩種可能的模擬調(diào)光方式。
調(diào)整 RSNS 進(jìn)行模擬調(diào)光
從圖 1 可以得知 RSNS 的數(shù)值變更時(shí)，固定 CS 參考電壓就會(huì)產(chǎn)生LED電流的改變。如果可以找到處理高 LED 電流的電位計(jì)，而且還有 sub-1 奧姆數(shù)值，就可使用此方法調(diào)整LED光線。
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在 CS 接腳上驅(qū)動(dòng) DC 電壓進(jìn)行模擬調(diào)光
另一個(gè)較復(fù)雜的調(diào)光技術(shù)則是藉由驅(qū)動(dòng)電壓至CS接腳內(nèi)，直接控制LED的每一周期電流。電壓源通常會(huì)插入取樣 LED 電流的回饋回路，并由放大器緩沖。放大器的增益可控制LED電流。有了這種回饋電路后，就可以執(zhí)行電流與熱保護(hù)機(jī)制等功能，進(jìn)而保護(hù)LED。
模擬調(diào)光的缺點(diǎn)是射出光的色溫可能會(huì)因?yàn)長(zhǎng)ED電流而有所變化。在LED色溫達(dá)到臨界的情形下，或是特定LED因?yàn)長(zhǎng)ED電流變化而顯示色溫有很大的變化時(shí)，無(wú)法改變LED電流來(lái)調(diào)整LED輸出。
PWM 調(diào)光
PWM調(diào)光方式為 LED 電流在短時(shí)間內(nèi)的實(shí)際啟動(dòng)與重新啟動(dòng)動(dòng)作。啟動(dòng)–重新啟動(dòng)周期的頻率必須快于人類(lèi)肉眼所能看到的速度，避免造成燈光閃爍，一般而言，200Hz 或更快的頻率是可被接受的頻率。
這種 LED 調(diào)光對(duì)調(diào)光波長(zhǎng)的工作周期為比例性的調(diào)整，是由以下的方程式?jīng)Q定：
IDIM-LED = DDIM X ILED
其中，IDIM-LED為平均 LED 電流，DDIM為調(diào)光波長(zhǎng)的工作周期，而 ILED為額定 LED 電流設(shè)定搭配RSNS 選擇。
調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)器
現(xiàn)在有許多 LED 驅(qū)動(dòng)器擁有特殊的 PWM DIM 接腳，可接受較寬廣范圍的 PWM 頻率與振幅，從而簡(jiǎn)易的與外部邏輯建立接口。DIM 功能僅會(huì)關(guān)閉輸出驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)讓內(nèi)部電路繼續(xù)運(yùn)作，因此避免重新啟動(dòng) IC 的延遲。我們也可以使用輸出啟動(dòng)接腳與其他邏輯關(guān)閉的功能。
雙線式 PWM 調(diào)光
雙線式 PWM 調(diào)光是汽車(chē)內(nèi)部照明所常用的調(diào)光方式。由于 VIN 調(diào)節(jié)至 VIN-NOMINAL 的 70% 以下，可偵測(cè)到電壓的改變并將 PWM波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成輸出驅(qū)動(dòng)的相對(duì)應(yīng)PWM。此方法的缺點(diǎn)在于轉(zhuǎn)換器的電源必須包含可將PWM波長(zhǎng)重迭至本身DC輸出的電路。
使用分路裝置進(jìn)行快速PWM 調(diào)光
由于轉(zhuǎn)換器輸出的關(guān)閉與啟動(dòng)延遲，因此限制了 PWM 調(diào)光頻率以及工作周期范圍。為了解決延遲的問(wèn)題，F(xiàn)ET 等外部分路裝置平行置于 LED 或 LED 串，才可快速繞過(guò)LED 周?chē)霓D(zhuǎn)換器輸出電流。“LED 關(guān)閉時(shí)間”期間，電流仍持續(xù)進(jìn)入電感器可以避免電流在電感器電流基座上來(lái)回時(shí)產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間延遲?，F(xiàn)在的延遲時(shí)間轉(zhuǎn)換到分路裝置上升與下降時(shí)間的限制。
因?yàn)殚_(kāi)啟 FET 時(shí)會(huì)產(chǎn)生輸出電流過(guò)沖，所以使用電流模式轉(zhuǎn)換器分路 LED 電流時(shí)必須特別小心。LM340x 系列的 LED 驅(qū)動(dòng)器為實(shí)時(shí)控制轉(zhuǎn)換器，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)沖問(wèn)題。我們應(yīng)該保持 LED 上的低輸出電容以獲得最大化開(kāi)啟/關(guān)閉/開(kāi)啟的轉(zhuǎn)換速度。
使用快速調(diào)光電路與關(guān)閉輸出的缺點(diǎn)是損失效率。分路裝置開(kāi)啟時(shí)，VShunt device X ILED 的電力消耗會(huì)以熱能形式損失。使用低 RDS-ON 的 FET 可減少此效率損失。
使用分路 LED 以取得較快轉(zhuǎn)換時(shí)間的另一個(gè)缺點(diǎn)是此動(dòng)作無(wú)法在升壓轉(zhuǎn)換拓樸中作用。在升壓的拓樸中，將負(fù)載端造成短路就等于是透過(guò)電感器造成 Vin 至接地的短路。
LM3409 多重調(diào)光功能
美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體所推出的 LM3409 為獨(dú)特的 LED 驅(qū)動(dòng)器，可提供完整模擬與 PWM 調(diào)光功能。在這裝置上有4種 LED 調(diào)光的可能方法：
1. 直接使用 0V～1.24V 電壓來(lái)源驅(qū)動(dòng) IADJ 接腳以進(jìn)行模擬調(diào)光
2. 在 IADJ 接腳與地面間放置電位計(jì)以進(jìn)行模擬調(diào)光
3.使用啟動(dòng)接腳以進(jìn)行 PWM 調(diào)光
4. 使用外部分路 FET 以進(jìn)行 PWM 調(diào)光
我們必須使用電位計(jì)連接 LM3409 才可進(jìn)行模擬調(diào)光.內(nèi)部的 5uA 電流源會(huì)在 RADJ 上建立電壓，進(jìn)而變更內(nèi)部電流感應(yīng)設(shè)定。我們也可以使用DC 壓直接驅(qū)動(dòng) IADJ 接腳來(lái)達(dá)到相同的效果。
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LED 效率
LED 發(fā)光效率大致可定義為以輸入電源瓦特?cái)?shù)除以可見(jiàn)輸出光電源流明數(shù);以每瓦特流明作為表示。所有進(jìn)入LED但并未成為可見(jiàn)光的電源會(huì)被轉(zhuǎn)換成熱能或是不可見(jiàn)的電磁輻射。LED的特性即是在低輸出等級(jí)時(shí)可獲得較高的效率。
在低調(diào)光等級(jí)的情形下，比起PWM 調(diào)光，使用模擬調(diào)光的 LED 效率較高。假設(shè)PWM調(diào)光的LED有低工作周期，LED 尖峰電流會(huì)比用平均時(shí)間 LED 電流來(lái)的高。
調(diào)整脫機(jī) LED 燈具
脫機(jī) LED 照明可以作業(yè)的AC 電壓，在日本為 100 VAC 而在部份工業(yè)應(yīng)用中則為 300 VAC 以上。以 LED 取代熒光燈泡的優(yōu)點(diǎn)之一為提高使用效率。LED 燈具可以使用大概 80,000 個(gè)小時(shí)才需進(jìn)行維修或替換，但熒光燈具可能只能維持 6,000 小時(shí)。長(zhǎng)期看來(lái)，替換至 LED 燈具所節(jié)省的成本通常遠(yuǎn)超過(guò) LED 燈具本身的花費(fèi)。
在住宅照明的應(yīng)用上會(huì)更可能需要使用可調(diào)光的 LED 燈具。常見(jiàn)的兩種調(diào)光類(lèi)型為 TRIAC 與 10 VDC，而 TRIAC 調(diào)光器則更為常見(jiàn)。TRIAC 控制器可在任何一間居家裝潢店取得，也比較常見(jiàn)于大部分家庭中。TRIACS 會(huì)“切斷”部份的 AC 波長(zhǎng)以提高工作周期效率并提供電流給燈具。TRIAC 調(diào)光的缺點(diǎn)是無(wú)法完全解決在低調(diào)光時(shí)閃爍光源的輸出。LED 驅(qū)動(dòng)器技術(shù)的進(jìn)展改善了 TRIAC 的調(diào)光技術(shù)，現(xiàn)今的驅(qū)動(dòng)器比較能透過(guò)“解碼”低調(diào)光設(shè)定以輸出沒(méi)有閃爍的光線。
所謂 10 VDC 調(diào)光，是在使用 10V 的燈具上將 0V ～ 10V 的 DC 電壓應(yīng)用到調(diào)光控制器，其中的0V 對(duì)應(yīng)到無(wú)光線，而 10V 則產(chǎn)生全幅的燈光輸出。10 VDC 照明需要從調(diào)光器安裝額外的連接線至燈具，在等級(jí)較高的燈具中比較常見(jiàn)，因?yàn)榇朔N燈具需要更多的線性調(diào)光控制以及比TRIAC調(diào)光器更好的調(diào)光比例。
結(jié)語(yǔ)
有許多方式可以調(diào)整切換式調(diào)節(jié)器供電的 LED 光線。而 PWM 與模擬這兩種主要調(diào)光方式則各有優(yōu)缺點(diǎn)。PWM 調(diào)光大幅降低 LED 的顏色變化，并有不同的亮度層級(jí)，可提供額外邏輯來(lái)建立 PWM 波長(zhǎng)。模擬調(diào)光則是比較簡(jiǎn)單的電路，但不適用于需要恒定色溫的應(yīng)用。
