隨著傳統照明到發光二極管(LED)的快速發展，以及越來越多的解決方案推向市場，消費者對于其選擇的產品越來越講究。特別具有對比度和無色度變化范圍大或可察覺閃爍的線性調光，被認為是優質產品的標志。

設計人員的難點在于，與傳統白熾燈或日光燈照明不同，要在保持光線質量的同時對LED調光并非易事。雖可進行模擬調光，但這會造成明顯的色度和發射光“溫度”偏移。

一種現有技術是通過對驅動LED的正向電流進行脈沖寬度調制(PWM)，來進行LED調光。其基本前提是，在PWM串的“導通”周期中，LED在最佳正向電流/正向電壓條件下工作。因此，光線質量好，并且感受到的亮度與PWM串的占空比成線性比例。

設計人員面臨的挑戰在于設計能與模塊化開關電壓轉換器協調工作的PWM電路，這種轉換器通常用作LED電源，即“驅動器”。若不采用這種補充方法，則很容易造成諸如電磁干擾(EMI)、有限對比度（最大亮度/最小亮度）和可察覺的閃爍（這會影響到健康）等問題。

本文基于目前各種LED驅動器考慮PWMLED調光電路的設計，并重點介紹實現不影響光線質量的解決方案所需的設計步驟。

模擬調光的缺點

LED需要恒流/恒壓電源，才能以良好的光線質量保持高效工作。（光線質量已成為關鍵產品區分因素、以及主要供應商完善其終端產品的努力方向。請參閱資料庫文章《廠商開始關注光線質量以增加LED市場份額收益》。）

可以在一定程度上根據最終產品規格靈活選擇工作點。例如，LED的光通量與正向電流成比例，因此設計人員可以選擇以較高正向電流驅動LED，以提升亮度，從而減少給定設計規格所需的LED數量。（請參閱資料庫文章《最佳亮度的照明設計》。）

圖1顯示OSRAMOptoSemiconductors的DurisS5E白光LED的正向電流與亮度特點。OSRAM器件基于成熟的技術，是主流照明應用的普遍選擇。這種LED在6.35V/150mA條件下可產生118lm，在該工作點下的效率據稱可達到123lm/W。例如，相比150mA時產生的亮度，將正向電流降低到100mA可將亮度調低30%。

圖1：OSRAMDurisS5E白光LED在正向電流和亮度之間近乎呈線性關系。

熟悉白熾燈照明調光的消費者自然需要LED替代品的類似功能。這些功能的亮點在于可在較廣的亮度范圍內進行精細分辨率調光。顯然，滿足該需求的簡單方法是設計一種模擬調光電路，該電路可通過LED電源或“驅動器”來降低驅動LED工作的正向電壓/正向電流。

遺憾的是，模擬調光法存在一些明顯的缺點。其中主要有能效影響（輸出(lm)/輸入功率(W)）、由于最小正向電流閾值造成的受限對比度、精確控制典型LED驅動器較大范圍輸出電流的設計復雜度增加，以及影響最大的是，LED的相關色溫(CCT)隨正向電壓/正向電流變化而變化。

CCT決定了LED的表面熱度，是光線質量的關鍵衡量指標。減小正向電壓/正向電流，將對當今大多數“白光”LED產品核心中的藍色LED發出的光線波長產生微妙的影響。現代照明應用的高亮度LED結合了含釔鋁石榴石(YAG)磷光體的寶藍色LED。部分LED的藍光子直接從器件中逸出，而大多數與形成（主要是）黃光的磷光體相結合。藍光與黃光的組合與白光近似。

LED廠商隨后會對磷光體稍作改動，將白光的“溫度”從冷（偏藍）色調修改為暖（黃）陰影，從而讓制造商可提供各種顏色選擇，以適應個人喜好。CCT從數量上定義了LED光的溫度。（請參閱資料庫文章《定義白光LED的色彩特征》。）

廠商規定了LED在特定正向電壓/正向電流工作點下的CCT。設計人員從特定CCT“分檔”中選擇LED，他們知道從該分檔中選擇的所有產品都將發出幾乎相同的CCT。雖然領先制造商通常還提供CCT如何隨正向電壓/正向電流變化的信息，但他們并不保證特定產品在超出推薦參數以外的工作點的性能。尤其是，LED制造商不保證來自相同分檔的器件在建議工作點以外的任何點產生相同的CCT。圖2說明了OSRAMLED的色度坐標（決定其CCT）如何隨正向電流變化。

圖2：LED的色度和CCT隨正向電壓變化。在較大范圍的正向電流中，可以通過肉眼觀察這些變化。

然而糟糕的是，肉眼并不擅長觀察細微顏色變化（例如，純紅色、綠色或藍色LED發出的光子波長差異在被發現之前會顯著變化），但對CCT變化非常敏感。因此，消費者完全有可能會注意到由來自相同分檔的LED驅動的兩個裝置在相同程度的模擬調光下顏色變化比較大。（請參閱資料庫文章《數字調光解決LED顏色難題》，以獲取本主題的詳細技術說明。）

用PWM調光解決CCT挑戰

近年來，PWM被用作優質LED照明的首選調光技術。在PWM串的“導通”周期中，LED在推薦的正向電壓/正向電流工作點下被驅動—確保CCT在規格書的參數范圍內。PWM串占空比（脈沖時長(tP)與信號周期(T)之比）決定平均電流，從而決定感受到的亮度。

圖3顯示了三種不同的脈沖串，它們都在恒定正向電流下工作。頂部示例顯示的是中等照明，中間示例較暗，底部示例則較亮。圖4顯示了占空比與正向電壓之間的線性特征。

圖3：改變PWM脈沖串占空比可改變LED平均正向電流以及亮度（自上：中、低、高亮度），同時在導通期間保持特定工作電流。

圖4：占空比與LED亮度線性相關。

來自主要供應商的現代LED驅動器已經設計有PWM調光功能。許多芯片采用PWM或DIM引腳實現從PWM發生器的直接輸入，以確定驅動器的導通、關斷周期。但是，仔細權衡LED驅動器的選擇將獲益匪淺，因為其中有一些關鍵因素可區分優秀和不良LED數字調光設計。

一個關鍵考慮因素是PWM串的頻率（即fDIM）。fDIM的最小值由肉眼對閃爍的靈敏度決定。近期的照明設計指南指出，如果不產生長期健康影響，則fDIM應當大于80-100Hz。（請參閱資料庫文章《新的閃爍建議將如何影響LED照明設計》。）

然而設計人員需要進行權衡，因為頻率越高，對比度影響就越大。這是因為即使最好的LED驅動器也需要特定時間來響應PWM輸入。圖5說明了什么情況下出現這些時間延遲。

圖5：LED驅動器在響應調光PWM信號時產生的延遲。這些延遲決定了調光系統的最大對比度。

在圖5中，tD表示從PWM信號(VDIM)變高的時間到驅動LED的正向電流響應時間的傳播延遲。（tSU和tSD分別是LED正向電流轉上和轉下時間。）壓擺率限制最小和最大占空比（DMIN和DMAX），以及對比度。

降低fDIM一般會提高對比度，這是因為T相對較長，即使對于低占空比，固定壓擺率的LED驅動器有充足的時間達到所需的正向電流/正向電壓，然后回落到零。

（注意，對于任何PWM調光頻率選擇，最好選擇具有有限壓擺的LED驅動器，因為LED的開啟時間可使它在PWM信號的前沿過早點亮（因此正向電壓/正向電流超出規格），使得消費者面臨困擾模擬調光的相同CCT變化。）

對比率(CR)通常以最小導通時間的倒數表示：

常規用途的標準開關穩壓器并非設計用于反復開關，因此廠商很少關注壓擺。許多情況下，這些穩壓器還具備軟啟動和軟關斷模式（以防電壓尖峰），它可延長壓擺。相比而言，調光應用的LED驅動器則設計為較短的壓擺時間。

由于兩個不同原因，基于開關式降壓調壓器的LED驅動器具有最短的壓擺時間。首先，降壓穩壓器在開關導通時向輸出提供電源，使控制回路比“升壓”或“降壓-升壓”拓撲更快。其次，降壓穩壓器的電感器在整個開關周期中連接到輸出，確保連續輸出電流，且無需輸出電容器。不使用電容器使得驅動器的輸出電壓/電流非常快速地轉換。[1]仔細挑選降壓穩壓器能實現kHz范圍的PWM調光頻率，雖然可能對于主流照明并沒有必要，但對于工業圖像識別任務的高速選通等應用卻大有益處。

設計PWM調光LED電源

有三種方法可以設計帶PWM調光的LED電源：用單獨的元器件重新開發電路；匹配帶PWM輸入的降壓LED驅動器和PWM電路；或者用專用PWM發生器更換PWM電路。

第一種方法不適用于資金緊張的情況，但如果預算和空間情況良好，也可以采用。我們現在看看其他兩種方法，它們基于一些來自各大主要供應商的成熟集成模塊化電源管理設備。

TexasInstruments提供一種簡單但相對昂貴的PWM可調光解決方案，它集成了LED驅動器控制功能，設計人員可靈活選擇用于驅動LED的外部MOSFET。LM3421是一款適用于LED電源的高壓N溝道MOSFET控制器。該芯片可在降壓、升壓、降壓-升壓和單端初級電感轉換器(SEPIC)拓撲中配置。

在本文特定背景下，LM3421集成了可用于調光的nDIM引腳。TI推薦了兩種調光方法，第一種使用通過肖特基二極管實現的反相PWM脈沖串(DDIM)，第二種使用通過調光MOSFET應用的標準PWM信號(QDIM)。如果應用需要高PWM頻率和良好對比度，第二種方法很有用，因為它可加速LED驅動器控制器的壓擺率。圖6顯示了LM3421的PWM調光選項。

圖6：TI推薦了兩種可用于其LM3421LED驅動器控制器的PWM調光技術，使用肖特基二極管，或為需要更高PWM頻率的應用使用MOSFET。

就其本身而言，MaximIntegrated最近引入了帶內置調光功能的LED驅動器，無需外部元器件，并且禁用PWM信號發生器。MAX16819是一款在4.5V至28V輸入范圍內工作的降壓LED驅動器，并帶有5V/10mA板載穩壓器。采用上述TI器件后，該芯片的DRV輸出設計為可為外部MOSFET供電，它連接到LED并有助于減少壓擺。

該芯片的主要特性在于其滯后控制算法，MaximIntegrated宣稱可確保PWM調光工作期間的快速響應，并能實現高達20kHz的PWM頻率，以滿足要求該頻率的應用。該器件具有高達2MHz的開關頻率，因此能讓設計人員選擇緊湊的外部元器件。圖7顯示了驅動LED的正向電流如何快速響應調光電壓變化。

圖7：MaximIntegrated的MAX16819采用滯后控制算法，該算法可加速對PWM調光輸入的響應。該圖闡明了LED電流400mA、50%占空比時的系統響應。

對于高端（但顯然更昂貴）解決方案，LinearTechnology提供LT850048通道LEDPWM發生器。該芯片可與該公司產品中的三款LT359516通道降壓模式LED驅動器組合，用于PWM可調光照明解決方案，該方案在電流達到50mA時能為480個LED供電。

LT3595A是降壓LED驅動器，設計用于驅動16個獨立通道，每個通道最多十個LED。該芯片集成了開關、肖特基二極管和補償元器件，以減少電路基底面并降低元器件成本。該芯片在4.5V至45V輸入范圍內運行，在2MHz開關頻率下工作（允許使用小電感器和電容器）。

通過將PWM輸入應用到16個單獨的PWM引腳，為每個通道控制調光。該器件具有快速轉上和轉下壓擺率，最大對比度為5000:1。

LT8500LEDPWM發生器在3V至5.5V輸入下工作，具有48個獨立通道，可用于直接控制三個LED驅動器。每個通道有單獨的可調節PWM寄存器。

LT8500可以獨立調節每個通道的亮度。12位PWM寄存器–可通過簡單串行數據接口編程–可實現4095種最大LED輸出0-99.98%的不同亮度等級。圖8顯示了如何配置LT8500以驅動三個LT3595A降壓LED驅動器。注意，RSET電阻器設置各LED驅動器上所有16個通道的LED電流。

圖8：LinearTechnology的LT8500可為三個LT3595降壓LED驅動器提供PWM調光輸入。反過來，每個驅動器可為最多160個LED供電。（根據LinearTechnology提供的原圖，用Digi-KeyScheme-it繪制的原理圖。）