详解 LED 恒流驱动中的 PWM 调光技术 脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利 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，广泛应用于测量， 通 信，功率控制与变换等许多领域。 脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计 数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM 信号仍 然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无 (OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。 通的时候即是直流供电被加到负载上的时候， 断的时候即是供电被断开的时候。 只要带宽足 够，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码。调制. 简单点说，假如需要一个 1V0.6A 的输出，而实际上只有一个 1V1A 的输出，那么只需 要把 1V1A 的输出接通 0.6 秒，再断开 0.4 秒，然后继续接通 0.6 秒断开 0.4 秒，得到的效果 和 1V0.6A 输出的效果是一致的 选择高性能的 LED 恒流源不但可以提高 LED 路灯的可靠性 目前常见的 LED 调光技术有 Buck, Boost, Buck-Boost 调节和线性调节。 不管你用 Buck, Boost, Buck-Boost 还是线性调节器来驱动 LED，它们的共同思路都是用驱动电路来控制光 的输出。一些应用只是简单地来实现“开”和“关”地功能，但是更多地应用需求是要从 0 到 100%调节光的亮度，而且经常要有很高的精度。设计者主要有两个选择：线性调节 LED 电 流（模拟调光） ，或者使用开关电路以相对于人眼识别力来说足够高的频率工作来改变光输 出的平均值（数字调光） 。使用脉冲宽度调制（PWM）来设置周期和占空度（图 1）可能是 最简单的实现数字调光的方法，并且 Buck 调节器拓扑往往能够提供一个最好的性能。 图1：使用 PWM 调光的 LED 驱动及其波形 推荐的 PWM 调光 模拟调光通常可以很简单的来实现。我们可以通过一个控制电压来成比例地改变 LED 驱动的输出。模拟调光不会引入潜在的电磁兼容/电磁干扰（EMC/EMI）频率。然而，在大 多数设计中要使用 PWM 调光，这是由于 LED 的一个基本性质：发射光的特性要随着平均 驱动电流而偏移。对于单色 LED 来说，其主波长会改变。对白光 LED 来说，其相关颜色温 度（CCT）会改变。对于人眼来说，很难察觉到红、绿或蓝 LED 中几纳米波长的变化，特 别是在光强也在变化的时候。但是白光的颜色温度变化是很容易检测的。 大多数 LED 包含一个发射蓝光谱光子的区域，它透过一个磷面提供一个宽幅可见光。 低电流的时候，磷光占主导，光趋近于黄色。高电流的时候，LED 蓝光占主导，光呈现蓝色， 从而达到了一个高 CCT。 当使用一个以上的白光 LED 的时候， 相邻 LED 的 CCT 的不同会很 明显也是不希望发生的。同样延伸到光源应用里，混合多个单色 LED 也会存在同样的问题。 当我们使用一个以上的光源的时候，LED 中任何的差异都会被察觉到。 LED 生产商在他们的产品电气特性表中特别制定了一个驱动电流， 这样就能保证只以这 些特定驱动电流来产生的光波长或 CCT。 用 PWM 调光保证了 LED 发出设计者需要的颜色， 而光的强度另当别论。这种精细控制在 RGB 应用中特别重要，以混合不同颜色的光来产生 白光。 从驱动 IC 的前景来看，模拟调光面临着一个严峻的挑战，这就是输出电流精度。几乎 每个 LED 驱动都要用到某种串联电阻来辨别电流。电流辨别电压（VSNS）通过折衷低能耗 损失和高信噪比来选定。驱动中的容差、偏移和延迟导致了一个相对固定的误差。要在一个 闭环系统中降低输出电流就必须降低 VSNS。这样就会反过来降低输出电流的精度，最终， 输出电流无法指定、控制或保证。通常来说，相对于模拟调光，PWM 调光可以提高精度， 线性控制光输出到更低级。 调光频率 VS 对比度 LED 驱动对 PWM 调光信号的不可忽视的回应时间产生了一个设计问题。 这里主要有三 种主要延迟（图2） 。这些延迟越长，可以达到的对比度就越低（光强的控制尺度） 。 图2：调光延迟 如图所示，tn 表示从时间逻辑信号 VDIM 提升到足以使 LED 驱动开始提高输出电流的 时候的过渡延迟。另外，tsu 输出电流从零提升到目标级所需要的时间，相反，tsn 是输出 电流从目标级下降到零所需要的时间。一般来说，调光频率（fDIM）越低，对比度越高， 这是因为这些固定延迟消耗了一小部分的调光周期（TDIM） 。fDIM 的下限大概是120Hz， 低于这个下限，肉眼就不会再把脉冲混合成一个感觉起来持续的光。另外，上限是由达到最 小对比度来确定的。 对比度通常由最小脉宽值的倒数来表示： CR = 1 / tON-MIN : 1 这里 tON-MIN = tD + tSU。 在机器视觉和工业检验应用中常常需要更高的 PWM 调光频 率，因为高速相机和传感器需要远远快于人眼的反应时间。在这种应用中，LED 光源的快速 开通和关闭的目的不是为了降低输出光的平均强度， 而是为了使输出光与传感器和相机时间 同步。 用开关调节器调光 基于开关调节器的 LED 驱动需要一些特别考虑， 以便于每秒钟关掉和开启成百上千次。 用于通常供电的调节器常常有一个开启或关掉针脚来供逻辑电平 PWM 信号连接， 但是与此 相关的延迟（tD）常常很久。这是因为硅设计强调回应时间中的低关断电流。而驱动 LED 的专用开关调节则相反， 当开启针脚为逻辑低以最小化 tD 时， 内部控制电路始终保持开启， 然而当 LED 关断的时候，控制电流却很高。 用 PWM 来优化光源控制需要最小化上升和下降延迟，这不仅是为了达到最好的对比 度，而且也为了最小化 LED 从零到目标电平的时间（这里主导光波长和 CCT 不能保证） 。 标准开关调节器常常会有一个缓开和缓关的过程，但是 LED 专用驱动可以做所有的事情， 其中包括降低信号转换速率的控制。降低 tSU 和 tSN 要从硅设计和开关调节器拓扑两方面 入手。 Buck 调节器能够保持快速信号转换而又优于所有其它开关拓扑主要有两个原因。 其一， Buck 调节器是唯一能够在控制开关打开的时候为输出供电的开关变换器。这使电压模式或 电流模式 PWM（不要与 PWM 调光混淆）的 Buck 调节器的控制环比 Boost 调节器或者各 种 Buck-Boost 拓扑更快。控制开关开启的过程中，电力传输同样可以轻易地适应滞环控制， 甚至比最好的电压模式或电流模式的控制环还要快。其二，Buck 调节器的电导在整个转换 周期中连在了输出上。这样保证了一个持续输出电流，也就是说，输出电容被删减掉。没有 了输出电容，Buck 调节器成了一个真正的高阻抗电流源，它可以很快达到输出电压。Cuk 和 zeta 转换器可以提供持续的输出电感，但是当更慢的控制环（和慢频）被纳入其中的时 候，它们会落后。 比开启针脚更快 即使是一个单纯的无输出电容的滞后 Buck 调节器，也不能满足某些 PWM 调光系统的 需要。 这些应用需要高 PWM 调光频率和高对比度， 这就分别需要快速信号转换率和短延迟 时间。对于机器视觉和工业检验来说，系统实例需要很高的性能，包括 LCD 板的背光和投 影仪。在某些应用中，PWM 调光频率必须超过音频宽，达到25kHz 或者更高。当总调光周 期降低到微秒级时，LED 电流总上升和下降时间（包括传输延迟） ，必须降低到纳秒级。 让我们来看看一个没有输出电容的快速 Buck 调节器。打开和关断输出电流的延迟来源 于 IC 的传输延迟和输出电感的物理性质。对于真正的高速 PWM 调光，这两个问题都需要 解决。最好的方法就是要用一个电源开关与 LED 链并联（图3） 。要关掉 LED，驱动电流要 经过开关分流，这个开关就是一个典型的 n-MOSFET。IC 持续工作，电感电流持续流动。 这个方法的主要缺点是当 LED 关闭的时候，电量被浪费掉了，甚至在这个过程中，输出电 压下降到电流侦测电压。 图3：分流电路及其波形 用一个分流 FET 调光会引起输出电压快速偏移，IC 的控制环必须回应保持常电流的请 求。就像逻辑针脚调光一样，控制环越快，回应越好，带有滞环控制的 Buck 调节器就会提 供最好的回应。 用 Boost 和 Buck-Boost 的快速 PWM Boost 调节器和任何 Buck-Boost 拓扑都不适合 PWM 调光。这是因为在持续传导模式 中（CCM） ，每个调节器都展示了一个右半平面零，这就使它很难达到时钟调节器需要的高 控制环带宽。右半平面零的时域效应也使它更难在 Boost 或者 Buck-Boost 电路中使用滞后 控制。另外，Boost 调节器不允许输出电压下降到输入电压以下。这个条件需要一个输入端 短电路并且使利用一个并联 FET 实现调光变得不可能。 。在 Buck-Boost 拓扑中，并联 FET 调光仍然不可能或者不切实际，这是因为它需要一个输出电容（SEPIC，Buck-Boost 和 flyback） ，或者输出短电路（Cuk 和 zeta）中的未受控制得输入电感电流。当需要真正快速 PWM 调光的时候， 最好的解决方案是一个二级系统， 它利用一个 Buck 调节器作为第二 LED 驱动级。如果空间和成本不允许的时候，下一个最好的原则就是一个串联开关（图4） 。 图4：带有串联 DIM 开关的 Boost 调节器 LED 电流可以被立即切断。另外，必须要特别考虑系统回应。这样一个开路事实上是一 个快速外部退荷暂态，它断开了反馈环，引起了调节器输出电压上升。为了避免因为过压失 败，我们需要输出钳制电路和/或误差放大器。这种钳制电路很难用外部电路实现，因此， 串联 FET 调光只能用专用 Boost/Buck-Boost LED 驱动 IC 来实现。 总而言之，LED 光源的单纯控制需要设计的初始阶段就要非常小心。光源越复杂，就越 要用 PWM 调光。这就需要系统设计者谨慎思考 LED 驱动拓扑。Buck 调节器为 PWM 调光提 供了很多优势。如果调光频率必须很高或者信号转换率必须很快，或者二者都需要，那么 Buck 调节器就是最好的选择。目前 LED 灯具市场面临着一个很大的发展机遇，但是也滋生 了众多的 LED 灯具生产企业。 在 LED 灯具上， 目前较少有人注意到恒流源和控制器的性能和 开发这方面。 选择高性能的 LED 恒流源是可以大大提高 LED 灯具的可靠性， 这对于一个企业 树立品牌， 生存下来意义重大。 而且具有 PWM 调光性能的恒流源和具有 PWM 调光输出的控制 器相配合， 还可以大大降低整个灯具的成本， 这对于提高 LED 灯具的民用化增大企业竞争力 意义重大。目前国内外做恒流驱动的性能较高的品牌有 RD9910,HV9910，SMD802，CXL9910 等。