調光功能顯著　開關模式LED驅動器崛起

亮度/色溫左右LED呈現
 

LED輸出的亮度數值可採用光通量密度的單位–燭光(cd)單位量測而得。而LED總功率輸出則是以流明(lm)總量的測量結果表示。此外，也須了解平均順向電流是決定LED亮度的關鍵因素。

平均順向電流攸關LED亮度

圖1所示的為LED順向電流與LED流明輸出關係圖，從中可以發現，順向電流IF與流明輸出在可用範圍內呈現明顯的線性關係。但是，隨著順向電流IF的增加，兩者之間漸漸出現非線性關係。當作業電流超過線性範圍時，每瓦產生的流明效率將會降低，而在線性範圍內，每瓦產生的流明數將呈現上升的趨勢。當作業電流超過線性範圍時，會導致輸出功率從LED轉換為熱能形式，此種熱能會成為LED驅動器的負擔，並增加熱能設計的複雜度。

圖1　LED輸出與LED電流關係圖

LED色溫隨電流/接面溫度/使用壽命改變

色溫是用來表示LED色彩的標準數值，並且明確以數據方式描述LED產品。每個LED都有特定範圍的色溫值，並會隨著順向電流、接面溫度及使用壽命等因素產生變化。較低的色溫比較偏紅黃色(稱為暖色系)，而數值較高的色溫比較偏向藍綠色(稱為冷色系)。許多彩色LED會採用限定主波長而非色溫，其色彩的呈現也會隨主波長的變動而變動。
 

PWM/類比調光為主要LED調光方式
 

在開關模式驅動器電路中，目前有兩種較普及的LED調光方式，分別為脈衝寬度調變(PWM)調光與類比調光。這兩種方法都是透過控制LED或LED串燈平均時間電流進行調光。雖然兩種調光方式採用相同的控制方法，但會產生不同效果，因此各有優缺點。
 

透過調整R_SNS完成類比調光

圖2為降壓拓撲中的開關模式LED驅動器。V_IN必須始終高於流經LED+R_SNS的電壓。電感器電流就是LED電流。而電流可以藉由監控CS接腳上的電壓進行調節。當CS接腳上的電壓開始降到低於設定電壓時，通過L1、LED及R_SNS的電流脈衝工作週期會增加，即平均LED電流增加。

LED的類比調光就是針對LED週期電流進行調整，也就是調整穩定LED電流層級。經由調整電流感測電阻器R_SNS或在IC的一些DIM功能接腳上提供驅動類比電壓，即可完成類比調光，圖2所示為兩個類比調光的實例。

圖2　降壓穩壓器拓樸示意圖

從圖2中可以明顯見到在固定的CS基準電壓下，RSNS數值的改變會與LED電流的改變有關聯。如果找到能夠處理高LED電流，同時也能在sub-1歐姆(Ohm)值內使用的分壓器，這會是一個LED調光的可行方式。
 

透過CS接腳驅動直流電壓類比調光
 

藉由在CS接腳提供驅動電壓以直接控制LED週期電流為較複雜的技術。通常電壓源會插入回饋迴路中，也就是放大器針對LED電流取樣及緩衝電流的地方。LED電流可經由放大器的增益加以控制。有了回饋電路系統，電流及過熱保護等功能都可加入LED照明系統，以便進一步保護LED照明系統。
 

類比調光最大的缺點就在於發射光的色溫會因為LED電流的函數而不同。某些應用中，LED顏色扮演關鍵性的角色，或者是特定LED會因為LED電流改變而呈現大幅色溫變化。在這些應用下，類比調光會因此而受到限制。
 

啟動/重新啟動電流進行PWM調光
 

PWM調光方式是利用短時間內完成LED電流的實際啟動與重新啟動進行調光。這個啟動-重新啟動循環的頻率必須比人類眼睛所能偵測的速度還要快，以避免出現閃爍效果，常見可接受的設定大約為200Hz或者更快。LED調光現在變成與調光波形的工作週期成比例關係，其方程式1如下：
 

I_DIM-LED=D_DIM X I_LED …………………………(1)
 

其中IDIM-LED是平均LED電流，DDIM是調光波形的工作週期，而ILED則是與RSNS選擇相搭配的特定LED電流設定(圖3)。

圖3　雙線PWM調光示意圖

‧	快速PWM調光/分流器裝置
	因為轉換器輸出在關閉與開啟上的延遲，PWM調光的頻率與工作週期的範圍會有所限制。如果要克服這個延遲，可以採用圖4所示的FET外接式分流器裝置，這個裝置可與LED或LED燈串並聯以快速繞過LED周遭的轉換器輸出電流。 圖4　左為快速PWM調光/電路圖，右為pwm波形圖

電感器內的電流會在LED關閉時間的期間持續維持，避免電感器電流上下震盪而導致的長時間延遲。延遲時間現在轉移到並聯FET裝置的開關延遲限制。
 

圖4為採用LM3406搭配分流器FET為例，並比較使用DIM功能接腳與分流器FET之間的LED開/關延遲圖形，這些測量所使用的輸出電容是10nf，而採用的分流器FET是Si3458。因為FET開啟時的輸出電流可能過高，使用電流模式轉換器進行電流分流時應該特別小心。LM340x系列的LED驅動器為控制時間類型的轉換器，可避免出現輸出電流過多情形。LED的輸出電容應該盡量減少，使開/關/開的傳輸速度達到最大。相較於關閉輸出模式，快速DIM電路的缺點就是效能損耗。當分流器裝置開啟時，V_{Shunt device}×I_LED電力消耗會轉換成熱能而消耗。使用低R_DS-ON FET可將此效能損耗減至最少。
 

若以美國國家半導體(NS)的LED驅動器為例，可提供簡易的類比及PWM調光功能。運用此元件，可直接使用從0～1.24伏特電壓源驅動IADJ接腳進行類比調光；或是透過在I_ADJ接腳及Gnd間放置分壓器來進行類比調光。此外，也能運用Enable接腳進行PWM調光，抑或透過外部分流器FET進行PWM調光。

此LED驅動器可經由與分壓器連接進行類比調光。內部5微安培電流來源會產生一個流經RADJ的電壓，該電壓會依序改變內部電流感測的臨界值。使用直流電壓直接驅動I_ADJ接腳也可獲得相同效果。
 

圖5所示為LED電流與在I_ADJ接腳到Gnd間的分壓器電阻量測的曲線圖。在1Amp時呈現的平頂表示最大的額定LED電流，該電流的數值由電流感測電阻器R_SNS所設定，如前述圖4所示。圖6為測得的LED電流，此電流為驅動直流電壓至I_ADJ接腳的函數，最大的LED電流也是由R_SNS設定。兩種類比調光選項都很容易實現，並且提供非常線性化的調光成果，層級大約可降至最大值的10%。

圖5　LED電流與分壓器電阻量測變化圖

圖6　LED與IADJ接腳電壓

整體而言，使用開關模式穩壓器進行LED調光有很多方式，主要分為PWM調光與類比調光兩種。PWM調光可顯著降低因變動的亮度層級所產生的LED顏色改變。類比調光則可以使用更簡化電路設計，但對於需要穩定色溫的一些特殊應用，可能就不是最合適的解決方案。
 

(本文作者任職於美國國家半導體)