开关模式驱动电路的LED调光方法

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    一、LED小常识

    LEDLight Emitting Diode),发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量,这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色,是由形成P-N结材料决定的。

    它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理,而采用电场发光。据分析,LED的特点非常明显,寿命长、光效高、无辐射与低功耗。LED的光谱几乎全部集中于可见光频段,其发光效率可超过150lm/W2010年)。

    LED的发光特性

    目前的新技术使LED能够达到很高的功率水平,LED的功率能够达到1W,甚至有些达到5W,光效达到60-85LM/W,这种LED设备称为高亮LEDHB-LED)。目前我们用在照明上LED都是HB-LED,一般都是选择1WLED通过串并联的方式组成大功率LED灯,尤其以串联为主。

    二、LED调光方法

    采用单级FLYBACK拓扑结构,多了一个调光信号控制回路。

    作为一种新的、最有潜力的光源,LED照明以其节能、环保的优势越来越受到人们重视。加上国家和地方政府的政策鼓励,我国的LED照明产业进入了加速发展阶段,运用市场迅速增长。在室内照明方面,用LED灯替代传统的可调光白炽灯或者卤素灯也将是大势所趋。

    由于传统的白炽灯调光器采用可控硅调光器,用LED灯替代白炽灯时,要求不能改变原有线路,还要能适应现有的可控硅调光器。针对这一目标市场,目前很多大的半导体厂商(包括国际知名半导体厂商)都已经推出了自己的LED调光ASIC,但由于LED固有的发光原理,目前市面上的LEDASIC调光案都还不是很成熟,都有其固有的问题,本文就将针对目前的调光方案做一个详细的分析,并介绍我们基于MCU的调光方案。

    三、开关模式LED驱动器的调光技术

    对开关模式驱动电路的LED进行调光有两种常用方法:脉宽调制调光和模拟调光。两种方法都对经过LED LED串的时间平均电流进行控制,但在衡量两种调光电路的优缺点时,两者之间的差异也很明显。

 

    1显示采用降压拓扑的一个LED驱动器。Vin必须始终高于LEDRSNS上的电压之和。电感电流为LED电流,该电流通过监控CS引脚的电压进行调节。当CS开始低于设置的电压时,流经 L1LEDRSNS的电流脉冲的占空比增加,从而增加LED的平均电流。

    1、模拟调光

    LED的模拟调光是对LED电流的每个周期进行调整。更简单地说,它是不断调整 LED的电流水平。

    模拟调光可以通过调整电流检测电阻 RSNS,或用模拟电压驱动IC的某个调光功能引脚来完成。图1显示了模拟调光的两个示例。

    a.通过调整RSNS进行模拟调光

    从图1可以明显看出使用固定CS 参考电压时,RSNS值的变化将对应 LED电流的变化。如果可以找到能够处理高LED电流,同时还可以提供 sub-1欧姆值的电位器,这将是LED调光的一个可行的方法。

    b.通过用直流电压驱动CS引脚实现模拟调光

    更复杂的技术是通过用电压驱动CS引脚直接控制LED每个周期的电流。通常将电压源插入采样LED电流的反馈回路,并通过放大器进行缓冲。LED电流可以通过放大器的增益进行控制。使用该反馈电路,可以实现电流和热量返送之类的功能,以便进一步保护LED

    模拟调光的缺点在于发出光线的色温会随着LED电流的某个函数发生变化。当LED的颜色至关重要,或特定LED的色温在LED电流变化时发生很大改变的情况下,通过改变LED电流,从而对LED的输出进行调光将被禁止。

    2、脉宽调制调光(即PWM调光)

    脉冲宽度调制是一种模拟控制方式,其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置,来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变,这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定,是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

    在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法,它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形,通过改变脉冲列的周期可以调频,改变脉冲的宽度或占空比可以调压,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。

    PWM调光方法,实际上是在一小段时间内启动和重新启动LED电流。这个启动和重新启动循环的频率必须快于人眼可以感知的速度,以免出现闪烁效果,通常情况下可以被接受的频率为大约200Hz或更快。

    LED的调光现在与调光波形的占空比成正比,可由下面的公式控制:

    IDIM-LED=DDIM×ILED

    其中 IDIM-LEDLED平均电流,DDIM 是调光波形的占空比,ILED是当选择如图 3 所示的 RSNS 时,额定 LED 电流设置。

    PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的,无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时,也才能对数字信号产生影响。   对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点,而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端,通过适当的RCLC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。   总之,PWM既经济、节约空间、抗噪性能强,是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。

    四、LED驱动器

    a.调制 LED 驱动器

    许多现代LED驱动器具有专门的 PWM DIM引脚,可以接受较宽范围的PWM频率和振幅,从而与外部逻辑的接口变得非常简单。DIM功能在关闭输出驱动电路的同时,使内部电路继续工作,从而避免重新启动IC造成的延迟。也可以使用输出启用引脚及其它逻辑关闭功能。

    b.双线PWM调光

 

    双线PWM调光是用于汽车内部照明的常见方法。当VIN被调制为低于 VIN-NOMINAL 70% 时,VINS引脚(图2)检测电压的变化,并将PWM波形转换为和输出驱动电路相应的PWM。这种方法的缺点是转换器的电源必须包含一个电路,以便为其直流输出提供 PWM 波形。

    c.使用分流器的快速 PWM 调光

 

    因为转换器输出的关闭和启动的延迟,对PWM 调光频率和占空比的范围就具有了限制。为了帮助克服这种延迟,可以给LEDLED串并联一个外部分流器(如图3中所示的 FET),以便使转换器的输出电流快速绕过LED。电感中的电流在“LED关闭期间”保持连续状态,避免了电感基础电流上升和下降时的较长延迟。延迟时间现在变为对分流器上升和下降时间的限制。图3显示装有分流器FETLM3406,以及使用DIM功能引脚与使用分流器FETLED/关延迟的比较图形。在这两种测量方法中,使用的输出电容均为10nf,分流器FETSi3458

    对电流模式转换器的LED电流进行分流时应小心谨慎,因为当FET打开时,输出电流会出现过冲。LM340x系列LED驱动器属于接通时间受控转换器,不会出现这种过冲。LED 的输出电容应保持较低状态,从而尽可能提高开//开过渡速度。

    快速调光与关闭输出的缺点在于效率的损失。当分流器打开时,VShunt device×ILED的功耗转化为热量。使用低 RDS-ON FET将最大限度地减少这种效率损失。

    五、LM3409多种调光功能

    美国国家半导体的LM3409是一种独一无二的LED驱动器,可以轻松实现模拟和 PWM调光功能。在此部件上可以有四种方法实现LED调光:

    1. 直接使用0V1.24V的电压源驱动IADJ引脚实现模拟调光;

    2. 通过在IADJ引脚与Gnd之间放置电位器实现模拟调光;

    3. 使用Enable引脚实现PWM调光;

    4. 通过外部分流器FET实现PWM调光。

    LM3409通过连接电位器实现模拟调光。内部5mA电流源在RADJ上产生电压,该电压反之改变内部电流检测阈值。使用直流电压直接驱动IADJ 引脚可以获得同样效果。

 

    4显示了测得的LED电流与IADJ引脚和Gnd之间的电位器电阻的关系图。1Amp处的平顶表示最大额定LED电流,该值由图4中所示的电流检测电阻 RSNS设置。

 

    5将测得的LED电流显示为IADJ引脚上的驱动直流电压的函数。请注意RSNS设置了相同的最大LED电流。

    两种模拟调光选项均可轻松实现并提供线性极强的调光性能,直到低至最大值10%左右的水平。

    六、对LED进行调光方法有很多

    针对开关模式稳压器供电的LED进行调光可以有许多方法。两类主要的方法:PWM和模拟法均各有利弊。PWM调光可以显着减少LED的颜色变化,与此同时,让亮度水平发生变化,但前提是需要添加逻辑电路来产生PWM波形。模拟调光的电路更加简单,但可能不适合那些要求恒定色温的应用。

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