中心議題：

• 加速調光頻率
• PWM實現精準LED調光

解決方案：

• 利用升壓和降壓/升壓
• 降壓穩壓器對PWM調光

無論LED是經由降壓
、升壓、降壓/升(sheng)壓(ya)或(huo)線(xian)性(xing)穩(wen)壓(ya)器(qi)驅(qu)動(dong)，連(lian)接(jie)每(mei)一(yi)個(ge)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)最(zui)常(chang)見(jian)的(de)線(xian)程(cheng)就(jiu)是(shi)須(xu)要(yao)控(kong)製(zhi)光(guang)的(de)輸(shu)出(chu)。現(xian)今(jin)僅(jin)有(you)很(hen)少(shao)數(shu)的(de)應(ying)用(yong)隻(zhi)需(xu)要(yao)開(kai)和(he)關(guan)的(de)簡(jian)單(dan)功(gong)能(neng)，絕(jue)大(da)多(duo)數(shu)都(dou)需(xu)要(yao)從(cong)0～100%去微調亮度。目前
，針對亮度控製方麵，主要的兩種解決方案為線性調節LED的電流(模擬調光)或在肉眼無法察覺的高頻下
，讓驅動電流從0到目標電流值之間來回切換(數字調光)。利用脈衝寬度調變(PWM)來設定循環和工作周期可能是實現數字調光的最簡單的方法，原因是相同的技術可以用來控製大部分的開關轉換器。

PWM調光能調配準確色光

一般來說，模擬調光比較容易實行，這是因為LED驅動器的輸出電流變化與控製電壓成比例，而且模擬調光也不會引發額外的電磁兼容性(EMC)/電磁幹擾(EMI)潛在頻率問題。然而，大部分設計采用PWM調光的理由都是基於LED的基本特性，即放射光的位移是與平均驅動電流的大小成比例(圖1)。對於單色LED來說，主要光波的波長會發生變化，而在白光LED方麵，出現變化的是相對色溫(CCT)。對於人們的肉眼來說，很難察覺出紅、綠或藍光LED中的奈米波長變化，尤其是當光的強度也同樣在改變，但是白光的色溫變化則比較容易察覺出來。大多數的白光LED都(dou)包(bao)含(han)一(yi)片(pian)可(ke)放(fang)射(she)出(chu)藍(lan)光(guang)頻(pin)譜(pu)光(guang)子(zi)的(de)晶(jing)圓(yuan)，這(zhe)些(xie)光(guang)子(zi)在(zai)撞(zhuang)擊(ji)磷(lin)光(guang)塗(tu)層(ceng)後(hou)便(bian)會(hui)放(fang)射(she)出(chu)各(ge)種(zhong)可(ke)見(jian)光(guang)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)光(guang)子(zi)。在(zai)較(jiao)小(xiao)的(de)電(dian)流(liu)下(xia)
，磷(lin)光(guang)會(hui)成(cheng)為(wei)主(zhu)導(dao)並(bing)使(shi)光(guang)線(xian)偏(pian)向(xiang)黃(huang)色(se)；而在較大電流下，LED放射出來的藍光則較多，使得光線偏向藍色，同時也會產生較高的CCT。對於使用超過一個白光LED的應用，在兩個相鄰LED之間出現的CCT差異會很明顯
，且視覺令人不悅
，此概念可以進一步延伸將多個單色LED光線混和在一起的光源。一旦超過一個光源
，任何出現在它們之間的CCT差異都會令人感到刺眼。 LED製造商會在其產品的電流特性表中指定驅動電流的大小，其隻會在這些特定電流條件下對產品的主波長或CCT提供保證。PWM調光的優點在於完全毋須考慮光的強弱，也能確保LED放射出設計人員所需的顏色。這種精確的控製對於紅綠藍(RGB)應用尤其重要，因為這些應用是將不同顏色的光線混和以產生白光。

從驅動器集成電路的角度看，模擬調光麵臨著輸出電流準確性的嚴峻挑戰。幾乎所有的LED驅動器都在輸出端加入某種形式的串行電阻來偵測電流，而所選用的電流感測電壓VSNS會產生一個協調作用，使電路能保持高訊號訊噪比(SNR)，同時維持低功耗
，由驅動器中的容限度
、偏移和延遲所引致的誤差則相對保持固定。要在封閉回路係統中降低輸出電流，就必須要調降VSNS，但如此一來，輸出電流的準確性便會下降
，直至VSNS的絕對值等於誤差電壓為止，最後
，輸出電流會變得無法控製
，目標輸出電流將不能被確定或保證。一般來說，PWM調光除了可以提高準確性之外，對於低階光輸出的線性控製也較模擬調光強。
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調光頻率與對比度成反比

對於PWM調光訊號而言
，每個LED都有限定的響應時間
，圖2表示三種不同的延遲，延遲愈大者表示能達到的對比度就愈低(對光強度控製的一種測量方法)。 圖2中的時間量tD表示由邏輯訊號VDIM上升開始，至LED驅動器開始增加輸出電流開始之間的傳播延遲，而時間量tSU則表示輸出電流由0轉換到目標電流所需的時間，至於時間量tSD代表輸出電流從目標電流轉換回0所需的時間。在大多數的情況下，調光頻率fDIM愈低，對比度就愈高
，這是因為這些固定延遲隻會占用少部分的調光周期TDIM。調光頻率fDIM的下限約為120Hz，假(jia)如(ru)低(di)於(yu)此(ci)頻(pin)率(lv)，眼(yan)睛(jing)便(bian)不(bu)能(neng)再(zai)將(jiang)脈(mai)衝(chong)混(hun)和(he)成(cheng)一(yi)個(ge)可(ke)見(jian)的(de)連(lian)續(xu)光(guang)線(xian)。至(zhi)於(yu)上(shang)限(xian)則(ze)取(qu)決(jue)於(yu)最(zui)低(di)對(dui)比(bi)度(du)的(de)要(yao)求(qiu)
，對(dui)比(bi)度(du)一(yi)般(ban)被(bei)表(biao)示(shi)成(cheng)最(zui)低(di)導(dao)通(tong)時(shi)間(jian)的(de)倒(dao)數(shu)。

機械視覺辨識和工業檢驗等應用通常都需要較高的PWM調光頻率，主因為高速攝影機和傳感器的反應速度比人類眼睛快很多。在這類應用中，對於LED光源進行高速開和關的目的不是要降低平均的光輸出量，而是要將光輸出與傳感器或攝影機的捕捉時間進行同步化。

利用開關穩壓器來調光

為了達到每秒開關數百次或甚至數千次，以開關穩壓器為基礎的LED驅動器，須經過特別的設計考慮。針對標準電源供應而設計的穩壓器一般都會設計一根「啟動」或關閉接腳，以便供邏輯PWM訊號使用，但連帶的延遲tD則頗長
，這是由於矽芯片的設計強調在響應時間內維持低停機電流。然而，專用來驅動LED的開關穩壓器則恰好相反，它可在「啟動」接腳邏輯低時，保持內部控製電路的活動
，以將tD減至最低，而當LED被關關時
，則會麵臨較大工作電流的困擾。

在使用PWM來達成光控製優化時，要把轉上(Slew-up)和轉下(Slew-down)延遲維持在最低
，這不單為了獲得最佳的對比度，而且還可減少LED花在由0到目標所需的時間。(在此條件下

，並不保證主波長或CCT與目標值相同)在這裏的標準開關穩壓器將設有一個軟啟動，通常也搭配一個軟關閉，而專用的LED驅動器會在其控製之內執行所有工作以減少這些回轉率(Slew Rate)。要降低tSU和tSD
，須要同時從矽芯片的設計和開關穩壓器所采用的拓撲著手。

具(ju)備(bei)較(jiao)快(kuai)速(su)回(hui)轉(zhuan)率(lv)的(de)降(jiang)壓(ya)穩(wen)壓(ya)器(qi)，比(bi)其(qi)他(ta)所(suo)有(you)的(de)開(kai)關(guan)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)在(zai)兩(liang)個(ge)地(di)方(fang)表(biao)現(xian)更(geng)為(wei)優(you)異(yi)，首(shou)先(xian)降(jiang)壓(ya)穩(wen)壓(ya)器(qi)是(shi)唯(wei)一(yi)可(ke)在(zai)控(kong)製(zhi)開(kai)關(guan)啟(qi)動(dong)時(shi)，將(jiang)功(gong)率(lv)輸(shu)送(song)到(dao)輸(shu)出(chu)端(duan)的(de)開(kai)關(guan)轉(zhuan)換(huan)器(qi)
，此(ci)特(te)點(dian)使(shi)得(de)電(dian)壓(ya)模(mo)式(shi)或(huo)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)PWM(這裏不要與PWM調光混淆)的降壓穩壓器之控製回路，比起升壓穩壓器或其他降壓/升sheng壓ya拓tuo撲pu更geng為wei快kuai速su。此ci外wai

，在zai控kong製zhi開kai關guan啟qi動dong期qi間jian的de功gong率lv傳chuan輸shu能neng夠gou輕qing易yi改gai為wei磁ci滯zhi控kong製zhi，使shi其qi速su度du甚shen至zhi比bi最zui佳jia的de電dian壓ya模mo式shi或huo電dian流liu模mo式shi控kong製zhi的de回hui路lu更geng快kuai。其qi次ci，降jiang壓ya穩wen壓ya器qi的de電dian感gan器qi在zai整zheng個ge開kai關guan周zhou期qi內nei都dou是shi連lian接jie在zai輸shu出chu端duan，此ci可ke確que保bao輸shu出chu電dian流liu的de連lian續xu性xing
，也ye意yi謂wei毋wu須xu使shi用yong輸shu出chu電dian容rong器qi。少shao了le輸shu出chu電dian容rong器qi後hou
，降jiang壓ya穩wen壓ya器qi便bian可ke成cheng為wei真zhen正zheng的de高gao阻zu抗kang電dian流liu源yuan，能neng夠gou迅xun速su轉zhuan換huan輸shu出chu電dian壓ya。邱qiu克ke型xing(Cuk)和Zeta轉換器雖可提供連續性輸出電感器，但由於它們的控製回路較慢，效率也較低，因此並非最佳選擇。

PWM比“啟動”接腳更怏

即使是一個沒有輸出電容器的純磁滯降壓穩壓器，都不足以應付某些PWM調光係統的要求，這些應用需要較高的PWM調光頻率
、高gao對dui比bi度du度du，也ye就jiu是shi要yao求qiu更geng快kuai速su的de回hui轉zhuan率lv和he更geng短duan暫zan的de延yan遲chi時shi間jian。與yu機ji械xie視shi覺jiao辨bian識shi和he工gong業ye檢jian驗yan係xi統tong搭da配pei應ying用yong時shi，舉ju例li某mou些xie要yao求qiu高gao性xing能neng的de係xi統tong
，包bao括kuo液ye晶jing(LCD)麵板和單槍投影機的背光照明係統
，在某些情況下，PWM調光頻率必須被調高到可聽頻帶以外的25kHz或更高的頻帶，隨著整體的調光周期已縮短至幾微秒內
，包括傳導延遲在內，LED電流的上升和下降時間總和必須縮短至奈秒內。

從cong一yi個ge沒mei有you輸shu出chu電dian容rong器qi的de快kuai速su降jiang壓ya穩wen壓ya器qi著zhe手shou

，出chu現xian在zai輸shu出chu電dian流liu開kai啟qi和he關guan閉bi的de延yan遲chi
，是shi來lai自zi集ji成cheng電dian路lu本ben身shen的de傳chuan導dao延yan遲chi和he輸shu出chu電dian感gan器qi的de物wu理li特te性xing。若ruo要yao達da到dao真zhen正zheng高gao速su的dePWM調光，兩個延遲都須被略過(By Pass)。要實現這個目標
，最佳方法就是采用一個與LED並聯的電源開關(圖3)。當LED關閉時，驅動電流便會分流通過開關，作用就如同一個典型的N型金屬氧化半導體場效晶體管(N-MOSFET)
，這時集成電路會繼續運行，而電感器電流也會持續流動。該方法的最大缺點在於LED關閉時
，即使期間的輸出電壓下降到與電流感測電壓相同，仍會浪費功率。 利用分路場效應晶體管(FET)laijinxingtiaoguanghuidaozhishuchudianyachuxianjijudeyiwei
，zheshidejichengdianludekongzhihuilubixuzuochuxiangying，yichangshiweichishuchudianliudewending。zhengrutongluojijiejiaotiaoguangban，kongzhihuiluyukuaibiaoshixiangyingyuhao，ercaiyongcizhikongzhidejiangyawenyaqizeketigongzuijiadehuiying。
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利用升壓和降壓/升壓　實現快速的PWM調光

無論是升壓穩壓器或任何類型的降壓/升壓拓撲都不太適合用在PWM調光。在開始設計的時候
，會發覺兩者在連續導通模式(CCM)下都會展現一個右半平麵零點(Right-half Plane Zero)限(xian)製(zhi)，這(zhe)將(jiang)無(wu)法(fa)達(da)到(dao)頻(pin)率(lv)穩(wen)壓(ya)器(qi)所(suo)需(xu)的(de)高(gao)控(kong)製(zhi)回(hui)路(lu)帶(dai)寬(kuan)要(yao)求(qiu)。此(ci)外(wai)，右(you)半(ban)平(ping)麵(mian)零(ling)點(dian)的(de)時(shi)域(yu)效(xiao)應(ying)還(hai)會(hui)使(shi)係(xi)統(tong)難(nan)以(yi)磁(ci)滯(zhi)方(fang)式(shi)去(qu)控(kong)製(zhi)升(sheng)壓(ya)或(huo)降(jiang)壓(ya)/升壓電路
；另一個使情況變得更為複雜的因素是升壓穩壓器不能容忍輸出電壓下降到輸入電壓以下，這種情況會導致在輸入端產生短路
，使得並列FET調光無法實行。另外
，在各類的降壓/升壓拓撲技術中
，並列FET調光仍然窒礙難行或極難使用

，主因在於它需要輸出電容器(SEPIC、降壓/升壓和返馳式)，又或在輸出短路時會出現無法控製的輸入電感器電流(Cuk和Zeta)。

假如真的需要一個快速的PWM調光，最佳的解決方案是采用兩級係統
，並以降壓穩壓器作為第二級LED驅動級。不過，若尺寸空間和成本都不容許，退而求其次的最佳選擇便是圖4中的串行開關。 雖然LED電dian流liu可ke在zai瞬shun間jian關guan閉bi，但dan須xu仔zai細xi考kao慮lv係xi統tong的de響xiang應ying，這zhe種zhong開kai放fang電dian路lu其qi實shi可ke看kan成cheng一yi個ge快kuai速su的de極ji端duan卸xie除chu瞬shun時shi
，它ta還hai會hui中zhong斷duan回hui饋kui回hui路lu並bing導dao致zhi穩wen壓ya器qi的de輸shu出chu電dian壓ya無wu止zhi境jing上shang升sheng。因yin此ci，須xu要yao在zai輸shu出chu和he/或誤差放大器加入箝位電路
，以預防超載電壓所造成的損害，但由於這些箝位電路難以用外部電路的方式實現，也就是說串行式FET調光必須配合專用升壓與降壓/升壓LED驅動器集成電路才可使用。

要有效控製LED光源，必須在開始時的設計過程就加倍小心，光源愈是精密，須要采用PWM調光的機會就愈大
，而係統設計人員也必須謹慎考慮有關LED驅動器的拓撲結構問題。降壓穩壓器對PWM調光有很多優點，設計人員必須慎重考慮輸入電壓和LED的排列位置。假如調光頻率要求更高
，回轉率便要更快，如此可更輕易在設計過程的初期改用降壓穩壓器來實行。