白光LED背光源调光方案解析

    WLED大行其道，针对不同应用需求，PWM与模拟调光驱动器将在不同领域各擅胜场，有鉴于此，目前产业界已开发出能切换模拟与PWM调光模式的解决方案，以因应不同市场需求。
 
　　白光发光二极管(WLED)拥有许多冷阴极灯管所不及的优点，如固态装置、指向性光源等，此外，WLED能以较低的电压进行运作，且可在更大的亮度范围进行调光，以及调光时会呈现出相当线性的亮度变化。

　　目前众多内建显示器的电子装置皆采用WLED型背光。若未确实了解各种方法的实作方式及优缺点，并不易找到正确的LED调光方法。本文会先简略说明LED的供电方式，接着分述两种LED调光方法和其优缺点。透过这些信息，便能选择适当的调光方法与LED驱动IC进行应用。

　　配置电压调节转换器达成WLED供电

　　WLED亮度会随着通过的电流而呈现直线变化，为使得各串行达到最佳的WLED电流准确度及一致性亮度，LED驱动器应调节通过LED的电流电压，而非调节LED两端的电流电压。图1显示如何在输出大于LED正向电压的总和且电压(VLED)下降情况下，重新设定任何可调整输出的电流调节直流对直流(DC-DC)转换器成为稳定电源，以驱动串联的多颗WLED。

 
图1 可调整输出DC-DC转换器提供通过WLED串行的稳定电流

　　调节电流侦测电阻(RSENSE)两端的电压(VSENSE)而非输出电压(VO)之后，驱动器便成稳定电源，使得VO可随着由电压和温度所产生的ΣVLED变化自行调整。WLED的电压降幅范围为3～4伏特，此一降幅受到LED电流的直接影响，且与温度成反比关系。最近的低功耗驱动器将外部侦测电阻置换为一个或多个电流汲入，尤其是单结型场效应晶体管(FET)(图2)。

 
图2 含有整合式电流汲入的LED驱动器

　　驱动器有两种功能，不仅能够调整汲入FET的驱动电压以达到通过汲入FET的适当电流(相对于偏压电流)，且能够调整整合式DC-DC转换器(一般为升压转换器)的输出功率，使得FET具有该电流所需的最低汲源极电压。这类含有整合式升压转换器及八个整合式电流汲入的驱动器，其中一例为TPS61195。

消弭噪音为PWM调光首要课题

　　为提升显示效果，并优化不同环境照明亮度的LED驱动器效率，较新型LED背光电子装置能达到较大的调光范围。有两种方法可用于LED调光：脉冲宽度调变(PWM)调光及模拟调光(图3)。

 
图3 采用模拟调光及PWM调光时的灯光或LED电流

　　为了进行PWM调光，数字信号处理器(DSP)或微控制器(MCU)会传送不同负载周期(D)的PWM讯号，以针对图1所示的驱动器启用及停用WLED驱动器的转换器，或针对图2所示的驱动器启用及停用电流汲入。因此，通过WLED串行的平均电流等于负载周期乘以最大电流，亦即ILEDavg = D×ILEDmax。

　　由于通过LED的最大电流都相同，因此PWM调光结果会呈现出相当线性的亮度变化。另外，由于LED发光的光谱会因电压降幅而产生变化，而电压降幅会因维持最大值的ILED而产生变化，因此LED背光的色度(亦即色彩、色相或实际达到白光的程度)在采用PWM调光时可达到绝佳效果。

　　PWM调光的关键缺点是噪音。若PWM讯号被用于启用与停用转换器，驱动器的调光比例上限会受到启动转换器、输出电容充电及达到个别最大电流需要的时间所限制。即使WLED驱动器能够使转换器在1MHz以上的切换频率运作，转换器的控制回路响应时间及/或启动时间亦需要数百微秒至数毫秒的时间。因此，为了让驱动器有时间达到最大电流，PWM调光频率仅能系数百Hz。

　　陶瓷输出电容的压电性会造成电容以PWM讯号频率在可听见噪音的范围(20k～20kHz)内进行充电及放电，此时电容便会振动，且电容和印刷电路板会因为振动而产生杂音。振动的程度、电压变化的振幅及陶瓷电容封装尺寸呈正比，因此缩小电容封装尺寸可减少杂音。

　　图2显示的驱动器藉由将电流汲入开启与关闭以进行PWM调光。另一方面，TPS61093之类的驱动器将FET与LED串行，FET可迅速开关，因此驱动器的输出毋需LED。在这两种情况下，第二个电压回馈回路可提供过压防护，且可在LED关闭时维持输出电容的电压。由于输出电容的电压变化已达到最小程度，因此能够减少振动及发出的声响。

模拟调光亮度线性/色度待提升

　　模拟调光一词系指通过LED的DC电流本身随着负载周期产生变化。若要针对图1所示的驱动器进行模拟调光，DSP或MCU必须提供高于转换器调节电压的外部DC电压(或低通滤波的PWM讯号)。

　　某些具有电流汲入的驱动器将输入PWM讯号滤波，然后以经过位准偏移的讯号来驱动电流汲入，如TPS6116x系列之类的其他驱动器则使用输入PWM讯号，将负载周期用于能隙参考电压，因此VREF=D×VREF(MAX)。由于ILED DC电流变化缓慢，因此输出电容电压不会有涟波。所以电容不会出现像采用PWM调光时所产生的振动。

　　相较于PWM调光，模拟调光的另一项优点是电源效率及光电转换效率较高。尤其升压转换器的输出电压(ΣVLEDs)会因ILED降低而随之降低。因此使用模拟调光而非PWM调光时，转换器的输出功率会略微降低。

　　由于升压转换器须要提供较低的输出电压，因此输入电源需求会降低并使效率提高(图4)。在混合模式调光中，驱动器执行D最低达到6.25%的模拟调光，接着转换为PWM调光，以提高亮度线性。

 
图4 混合模式调光及PWM调光的效率比较

　　此外，驱动器可达到较高的光电转换效率，这表示耗用相同的电力可达到更高的流明。然而，模拟调光也有深度调光的某些电流准确度问题，此因回馈调节电压或电流汲入电压过小，而无法准确控制，此乃受限于错误放大器的偏移电压所致。亮度线性及色度也不比PWM调光，尤其是在深度调光时(图5)。事实上，除非将两个相同的显示器并置进行比较，否则一般人很难辨别色度或线性的差异。

 
图5 采用PWM调光及模拟调光时的LED亮度线性

　　若应用的照明需要最佳的线性及色度，则可达到真正PWM调光的驱动器会是最适当的选择。若应用对于噪声相当敏感或需要最高的效率，则须采用模拟调光的驱动器。若采用PWM调光驱动器，并运用第二个回馈回路来降低输出电压涟波，则无法避免发出杂音。现已有驱动器能在调光方法之间切换，以发挥各种调光方法的最佳特性。只要能进一步掌握LED调光选项及其优缺点，选择LED驱动器便轻而易举。