如何調(diào)節(jié)您的 WLED 背光驅(qū)動(dòng)器
（How to dim your WLED backlight driver）
作者：Jeff Falin，德州儀器 (TI) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師
相比熒光燈，白色發(fā)光二極管 (WLED) 具有許多優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)包括其為一種固態(tài)器件和定向光源。它們的工作電壓更低，且擁有更寬的亮度調(diào)節(jié)范圍。另外，在進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)時(shí)，它們還具有更為線性的亮度變化。
許多顯示器的電子器件現(xiàn)在都使用 WLED 型背光。如果沒(méi)有正確理解每一種方法的實(shí)施原理，以及每一種方法的好處和局限性，要選擇正確的 LED 調(diào)節(jié)方法具有一定的挑戰(zhàn)性。在簡(jiǎn)要回顧 LED 供電原理以后，本文將從利弊兩方面概述兩種 LED 亮度調(diào)節(jié)方法。通過(guò)我們的敘述，您可以輕松地為具體應(yīng)用選擇正確的亮度調(diào)節(jié)方法和 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC。
配置一種為 WLED 供電的穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器
WLED 的亮度隨流過(guò)它的電流線性變化。假設(shè)每串的 WLED 電流精度最佳且 WLED 亮度一致，則 LED 驅(qū)動(dòng)器應(yīng)對(duì) LED 的電流而非電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖 1 顯示了如何輕松地將任何一種可調(diào)輸出穩(wěn)壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，重新配置為一個(gè)驅(qū)動(dòng)多個(gè)串聯(lián) WLED 的恒流源，條件是其輸出大于 LED 正向電壓 (VLED) 壓降之和。
圖 1-可調(diào)輸出 DC/DC 轉(zhuǎn)換器為一個(gè)或多個(gè) WLED 串提供恒定電流
通過(guò)調(diào)節(jié)電流檢測(cè)電阻器 (RSENSE) 的電壓 VSENSE，而非輸出電壓 (VO)，驅(qū)動(dòng)器實(shí)質(zhì)為一個(gè)恒定電流源。這樣使 VO 可以自由地自我調(diào)節(jié)，以適應(yīng) SVLED 的變化。WLED 具有 3.0V 到 4.0V 的壓降范圍。壓降與 LED 電流成正比例變化，而與溫度成反比例變化。最近，一些低功耗驅(qū)動(dòng)器使用一個(gè)或多個(gè)電流阱（實(shí)質(zhì)為 FET），來(lái)代替外部檢測(cè)電阻器，如圖 2 所示
脈寬調(diào)制亮度調(diào)節(jié)
為了提高視覺(jué)體驗(yàn)和優(yōu)化不同環(huán)境光水平的 LED 驅(qū)動(dòng)器效率，更新型的 LED電子背光以擁有較寬的亮度調(diào)節(jié)范圍為傲。LED 調(diào)節(jié)方法共有兩種：脈寬調(diào)制 (PWM) 調(diào)節(jié)和模擬調(diào)節(jié)。圖 3 顯示了 LED 電流及其亮度在使用模擬和 PWM 調(diào)節(jié)方法時(shí)的變化情況
圖 3-使用模擬和 PWM 調(diào)節(jié)時(shí)的燈管或 LED 電流情況
要實(shí)現(xiàn) PWM 調(diào)節(jié)，一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 或者微控制器需在不同占空比 (D) 條件下發(fā)送一個(gè) PWM 信號(hào)，開(kāi)啟和關(guān)閉圖 1 所示驅(qū)動(dòng)器的 WLED 驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換器，或者圖 2 所示驅(qū)動(dòng)器的電流阱。因此，WLED 串的平均電流為占空比乘以最大電流，即 ILEDavg = D X ILEDmax。
由于 LED 的最大電流相同，因此 PWM 調(diào)節(jié)結(jié)果是一種非常線性的亮度變化。另外，由于 LED 的發(fā)射光譜隨其壓降變化，而壓降又隨 ILED（始終保持最大值）變化，因此使用 PWM 調(diào)節(jié)方法時(shí) LED 背光的色度（其色彩度及色調(diào)，即其實(shí)際“白”程度）極好。
PWM 調(diào)節(jié)的主要缺點(diǎn)是可聽(tīng)噪聲。如果 PWM 信號(hào)用于開(kāi)啟和關(guān)閉轉(zhuǎn)換器，則驅(qū)動(dòng)器的最大調(diào)節(jié)比受限于轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)，對(duì)輸出電容充電，然后穩(wěn)定達(dá)到其各自最大電流所花費(fèi)的時(shí)間。盡管 WLED 驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)有一些 1MHz+ 開(kāi)關(guān)頻率下工作的轉(zhuǎn)換器，但轉(zhuǎn)換器的控制環(huán)路響應(yīng)時(shí)間和/或啟動(dòng)時(shí)間范圍為數(shù)百微秒到幾毫秒。因此，為了適應(yīng)驅(qū)動(dòng)器穩(wěn)定達(dá)到其最大電流的時(shí)間，PWM 調(diào)節(jié)頻率可以僅為數(shù)百赫茲。
陶瓷輸出電容器的壓電特性，使電容器在可聽(tīng)范圍（20Hz–20kHz）的 PWM 信號(hào)頻率下充放電。它會(huì)振動(dòng)，人耳可以聽(tīng)到電容器和印制電路板的運(yùn)行，其聽(tīng)起來(lái)像振鈴或者蜂鳴聲。這種振動(dòng)與電壓變化幅度和陶瓷電容器封裝尺寸成正比例關(guān)系?？s小電容器封裝尺寸，可以減少這種振鈴。
圖 2 所示驅(qū)動(dòng)器通過(guò)開(kāi)關(guān)電流阱，實(shí)現(xiàn) PWM 調(diào)節(jié)。另一種方案是，如 TPS61093 等驅(qū)動(dòng)器具有一個(gè)與 LED 串聯(lián)的 FET。FET 被快速地開(kāi)啟和關(guān)閉，從而將 LED 從驅(qū)動(dòng)器輸出移除。兩種方案中，第二電壓反饋環(huán)路都提供了過(guò)電壓保護(hù)，并在LED關(guān)閉時(shí)保持輸出電容器的電壓。由于輸出電容器的電壓變化得到了最小化，其振動(dòng)和振鈴也減少了。
模擬調(diào)節(jié)
術(shù)語(yǔ)模擬調(diào)節(jié)意思是 LED 本身的 DC 電流相對(duì)于占空比 D 變化。為了實(shí)現(xiàn)圖 1 所示驅(qū)動(dòng)器的模擬調(diào)節(jié)，DSP 或者微控制器必須提供一個(gè)高于轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)電壓的外部 DC 電壓（或低通濾波 PWM 信號(hào)）。
一些具有電流阱的驅(qū)動(dòng)器使用輸入 PWM 信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行濾波，然后使用電平轉(zhuǎn)換型信號(hào)驅(qū)動(dòng)電流阱。其它驅(qū)動(dòng)器系列（例如：TPS6116x 系列等），使用輸入 PWM 信號(hào)將占空比 D 應(yīng)用于帶隙基準(zhǔn)電壓，因此 VREF = D * VREF(MAX)。由于 ILED DC 電平電流變化較慢，因此輸出電容器電壓沒(méi)有紋波。所以，電容器不會(huì)像 PWM 調(diào)節(jié)時(shí)那樣振動(dòng)。
模擬調(diào)節(jié)相對(duì)于PWM 調(diào)節(jié)的另一個(gè)好處是更高的功效和電光轉(zhuǎn)換效率。特別是，ILED 降低，增壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓=SVLEDs也隨之降低。因此，相對(duì)于 PWM調(diào)節(jié)，使用模擬調(diào)節(jié)時(shí)轉(zhuǎn)換器的輸出功率略低。
由于增壓轉(zhuǎn)換器需要提供更低的輸出電壓，其輸入功率要求降低，而其效率增加。圖 4 對(duì)比了相同輸入電壓和相同LED條件下，使用混合模式和 PWM 調(diào)節(jié)時(shí)的驅(qū)動(dòng)器效率。在混合模式調(diào)節(jié)中，驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行模擬調(diào)節(jié)，占空比 D=6.25%，之后轉(zhuǎn)換為 PWM 調(diào)節(jié)，以獲得更好的亮度線性。
圖 4-混合模式與 PWM 調(diào)節(jié)的效率對(duì)比
另外，驅(qū)動(dòng)器具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率，其意味著相同功耗條件下更多的流明。但是，由于反饋調(diào)節(jié)電壓或者電流阱電壓變得太小以至于無(wú)法精確控制，因此在進(jìn)行深度調(diào)節(jié)時(shí)模擬調(diào)節(jié)存在一些電流精確度問(wèn)題。出現(xiàn)這種問(wèn)題的原因是誤差放大器的補(bǔ)償電壓。亮度線性和色度不如 PWM 調(diào)節(jié)那么好，在進(jìn)行深度調(diào)節(jié)時(shí)更是如此。圖 5 對(duì)比了使用模擬調(diào)節(jié)和 PWM 調(diào)節(jié)時(shí)一串調(diào)光 LED 的亮度。
圖 5-PWM 和模擬調(diào)節(jié)時(shí)的 LED
