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【技術】模擬/PWM調光搭配得宜 LED照明色彩更繽紛

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所屬頻道:新聞中心

關鍵詞: LED照明,色彩,PWM調光,LED驅動器

         類比式LED調光設計簡單且成本低,但不適合需要穩定色溫的應用;數位式PWM調光色溫控制較佳,但須搭配MCU,增加系統成本。設計人員應考量應用需求,選擇最適合的調光方案,方能達到理想的LED照明色彩及亮度。

      在建筑、區域與崁燈等照明應用中,色彩準確度非常重要,而發光二極體(LED)很適合提供準確色彩。LED顏色可隨著混合紅、藍、綠、黃、白等各色而異;當多種色彩混合時,亮度必須調整。本文針對多種LED混色的調光技巧進行介紹。

      準確頻道亮度調控 LED實現豐富色彩

      每顆LED晶體只能發出單色光,若希望創造其他色彩,可運用紅、綠、藍三原色的LED燈混合,只要切換紅、綠、藍LED頻道,即可產生七種基本色彩(紅、綠、藍、黃、紫、淺綠、白)。

      如果需要更豐富的色彩,只須控制三原色的LED燈光亮度,就能產生眾多色彩,包括調整各LED頻道的亮度,并控制通過各LED串的電流調控明暗。改變LED白光燈的色溫時,通常調整紅色與白色的LED串即可。

      調整LED明暗共有兩種基本方式:類比(Analog)與脈沖寬度調變(PWM)。兩者都是藉由安裝開關模式或線性LED驅動器,控制通過LED串的平均電流,以改變LED的亮度。

      圖1為雙串LED驅動器,其中包括一個降壓切換器與一個線性穩壓器。兩個LED串均可選擇類比或PWM,兩者各有優缺點,多數應用是依據混色表現需求選擇調整方式。

      圖1 雙串可調光LED驅動器,包含一個降壓轉換器與一個線性穩壓器。

     

      類比調光須掌握電流變化幅度

      LED類比調光是藉由控制通過LED串的恒電流,達到調整明暗效果,可控制晶片內的LED電流參考電壓,或是控制晶片外的LED電流感測電壓。

      大多數的LED驅動器,其內部包括切換穩壓器與線性穩壓器,其中的LED電流高低由公式1決定:

      ......公式1

      VREF為晶片內LED電流參考電壓,RSNS為電壓感測電阻。

      藉著改變VREF可調整LED電流。有些LED驅動器晶片并不允許使用者改變LED電流參考電壓,而在允許改變LED電流參考的晶片里,通常有兩種改變方式:一是在晶片提供的參考電壓調整接腳上加入類比電壓;二為透過I2C等數位通訊介面調整參考電壓,以圖1為例,可藉由I2C的指令調整LED電流參考電壓。

      另一種類比調光方式為改變LED電流感測電壓。多數應用的電流感測電阻低于1歐姆(ohm),也因此,沒有必要使用電位計來改變電流感測電阻,藉由在晶片的電流感測接腳上,再加入外部直流電壓即可達成效果。圖2所呈現的是改變電流感測電壓,其典型類比調光線路,CS接腳的電壓則可參考下列公式2:

      圖2 類比調光線路范例

      ......公式2

      在穩定的狀態下,CS接腳電壓會與參考電壓相等。透過調整外部的直流電壓,或是調整可變電阻R2值,即可以改變LED電流。

      在混色應用中使用類比調光將會發現一項缺點,此即由于LED色溫會隨電流變化,如果類比調光電流改變較大,LED亮度與顏色可能也會生變,導致無法產生理想色彩。

      PWM調光色溫控制精準

      PWM調光是以固定循環周期,以及頻率開關LED來決定,其調光的LED電流計算可參考下列公式3:

      ......公式3

      IDIM為調光后的LED電流,D為PWM調光訊號的周期循環,ILED則為無調光的LED電流。

      LED PWM調光頻率通常高于200Hz,肉眼無法察覺。許多LED驅動器晶片均具備PWM調光輸入接腳,可接收微控制器(MCU)產生的PWM調光輸入訊號。通常只有PWM調光訊號變弱時,驅動器晶片才會關閉金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)驅動器;等到訊號轉強,MOSFET驅動器又會開啟;此外,內部線路在PWM調光循環關閉時仍繼續運作,避免晶片必須重新啟動,造成PWM調光上升緣延遲。

      在開關模式LED驅動器中,電容通常會放在LED串之中,過濾高頻率切換雜訊,亦可減緩PWM調光LED電流的升降緣。因此,高頻率低循環PWM調光應用必須移除電容。圖3呈現LED降壓穩壓器無輸出電容的PWM調光波形。

      圖3 PWM調光LED電流波形

      類比至PWM調光具過熱保護功能

      有些LED驅動器晶片具備「類比至PWM調光」功能,晶片調光接腳接收類比訊號后,轉換為PWM調光訊號。PWM調光頻率固定,且循環周期與輸入類比訊號級成比例。

      照明應用里若無MCU,則類比至PWM調光方案助益極大。類比至PWM調光設計可發揮過熱保護功能,如果LED板地溫度超過設定值,PWM調光便可以降低LED電流。

      分流FET PWM調光適用于高頻率

      分流FET PWM調光通常用于極高頻率的LED PWM調光。圖4呈現以降壓穩壓器為基礎的分流FET PWM調光線路,外部分流FET擺放位置與LED串平行,以迅速繞過轉換器輸出電流;當分流FET開啟時,LED串關閉,反之亦然。所以,LED串透過分流FET達到有效的PWM調光。有些LED驅動器晶片提供MOSFET驅動器,做為分流FET PWM調光之用,故不需外部MOSFET驅動器。

      圖4 分流FET PWM調光范例

      在分流FET PWM調光過程中,切換穩壓器的電感電流維持不變,電感電流升降不會造成延遲。若具備功能強大的MOSFET驅動器,分流FET能以極高速開關,故PWM調光的LED電流升降緣相當尖銳。分流FET PWM調光很適合高頻率PWM調光應用。

      理想LED照明有賴多方考量

      在LED混色應用中,調光對達成理想色彩及亮度相當重要。LED調光方式眾多,主要有類比調光與PWM調光兩種。類比調光使用的線路較簡單,成本較低,也適合無MCU的系統,但并不適合需要穩定色溫的應用;另一方面,PWM調光能減少LED電流變化造成的色差,故可達到相當精準的色溫,但PWM調光一般需要微處理器產生輸入數位訊號,因此提高系統成本。

    (審核編輯: 小丸子1)

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