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LED照明亮度控制新技术特征与应用

点击次数: 更新时间:2015-04-19 18:04:34

 1、前言

  
如今电源管理技术的发展趋势是,以太网供电技术巨大市场近在咫尺,电源IC应身兼多职,电源转换IC集成LDO和DC/DC转换器,LED/LCD/OLED驱动器以及其他的功率半导体器件和电源模块。而本文仅对LED/LCD/OLED驱动器中的调光控制技术作研讨。这是因为LED推动了照明革命。LCD背光仍是主要LED应用,其LED已经被用于各种室内及室外装饰照明应用,而且开始着眼于手电、花园灯和街灯等通用照明应用。这些用途为LED照明正在家庭与企业照明领域开辟市场。LED通用照明的未来是发光效率超过100 lm/W的高通量LED的开发,使得LED不需要逆变器就能利用交流电工作,从而推动LED更加接近主流的通用照明市场。因而背光照明的亮度控制是LED照明革命中的重要技术,于是便有下文所述的LED照明亮度控制的新技术特征与应用的分析介绍。

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  2、背光照明亮度控制的拓扑

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  背光照明亮度控制的拓扑即调光方法,包括使用低频和高频信号进行脉宽调制(PWM)、直流电压控制及电阻调光等调光技术,以下仅介绍直流电压控制及PWM调制技术。

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  2.1直流电压调光

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  图1是以ZETEX的ZXLD1350驱动器为例的典型直流电压调光示意图。

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  ZXLD1350驱动器是连续电感式降压转换器,内置多开关而输出电流达350mA,输入电压范围在7V至30V之间。其特点是ZXLDl350配备多功能的调节脚,可通过控制LED的电流,以多种方式调节LED的亮度。
 

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图1:直流电压调光示意图

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  TLV431作为分路调节器,以产生外置的1.25V电压基准。此电压基准被运用至VRl电位以提供0V-1.25V的调光电压。使用外置的调节器,将影响电流设定的准确性。相对于内置电压基准,使用1%电压基准,使LED电流更加准确。

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  调节针可通过外置的直流电压(VADJ)进行过驱动,以获得超过内置的电压基准,并调整输出电流使其超出或低于额定值。此时的额定输出电流为:
 

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  请注意,100%的亮度设定与VADJ=VREF相对应。如果VIN达到最大值2.5V,则RSENSE应增加2倍。这将使功率小幅降低1%到2%。调节针的输入阻抗为200kV+20%。如果直流电压的输出阻抗相对较高,可能有所影响。

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  2.2新的调光技术--PWM调制技术的应用

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  LED发出光的波长与器件内被驱动的正向电流关系密切。为了防止色调变化,须精心选择调光方法。以往最常用的调光方法是改变器件上的正向电流或电压。不幸的是电流或电压的变化都会改变光的波长,这种效应与波长成正比,较长的波长经受的色调对电流的变化最强。在很多应用中,这种结果是不能接受的,如果采用PWM调制技术,就可以给LED正确调光,不会引起波长变化。LED的通断操作是通过改变占空比实现的,这时正向电流(1F)是恒定电流。

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  2.2.1低频高频调光应用

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  ⑴低频调光。由于LED具备稳定的瞬时驱动电流,因而适合采用低频凋光。LED的色温在所有亮度下保持不变。低频调光的另一个优点是可将亮度降至1%。因此调光范围为100:1。而频率选择是为避免可见闪烁, PWM信号必须大于100Hz。如果所选的频率过高,内置低通滤波器将开始合并PWM信号,并产生非线性反应。同时调节针的软启动功能将导致PWM信号的上升或下降发生延迟。这将使LED电流具有非线性特性,在频率增加时影响更为显著。

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  常见的低频和高频信号进行脉宽调制示意图如图2所示。该图是以ZETEX的ZXLD1350驱动器为例的脉宽调制示意图。
 

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图2:以ZXLD1350驱动器为例的脉宽调制示意图

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  建议低频的上限为lkHz。电感器可能听得见的噪音的影响也需要加以考虑。某些线圈松动的电感器可能出现此类情况,PWM频率为lkHz时将比100Hz更加明显。

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  ⑵高频调光

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  如果系统要求低辐射和输入/输出谐波,则适合采用高频调光。但调光范围将降至5:l。ZXLDl350具备整合高频PWM信号的内置低通滤波器,可进行直流调光控制。如果PWM频率高于10kHz左右,且占空比大于指定的最小值,装置将保持工作状态,输出也将持续不变。

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  ⑶输入缓冲晶体管

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  进行PWM调光时,输入双极晶体管Q宜使用集电极开路输出(如图2所示)。以确保达到200mV的输入关闭阈值。不使用缓冲晶体管也可直接进行PWM控制,但必须格外谨慎。该操作将使内置的1.25V电压基准负荷过重。如果100%PWM(直流)使用2.5V输入电压,进入LED的输出电流将达到正常电流的2倍。并可能损坏ZXLDl350。使用5V逻辑信号进行过驱动将极有可能在超出调节针额定电压时损坏装置。

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  ⑷软启动及去耦电容器

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  调节针上的任何附加电容器都将影响PWM信号上升和下降。由于上升时间将增加大约0.5ms/nF,因此需对此加以考虑。将其与100Hz PWM进行对比,50%占空比时开启时间Ton,及关闭时间Toff为5ms,1%占空比时开启时间Ton为0.1ms。调节针上的lnF将导致0.5ms的上升时间,这将造成以低占空比进行调光时出错和受到限制。