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作者: 黃福源 LED調光有很多方式，依系統應用的不同需求，有不同的選擇，可以依LED輸出電流波形的不同，區分為脈波寬度調光(PWM Dimming)與模擬調光(Analog Dimming)兩種。簡單的說，所謂脈波寬度調光就是指LED的輸出電流是一個LED導通和LED不導通的周期性方波輸出，藉由改變方波波形的導通時間寬度來調節LED的平均電流大小，來達成調光的功能。所以LED平均電流值可以等于方波的導通周期乘以最大電流，亦即ILEDavg= Duty(%) × ILEDmax，如圖(一)所示。 
圖(一) 脈波寬度調光(PWM Dimming) 模擬調光是LED的輸出電流是一個模擬的輸出波形，藉由改變輸出電流準位的大小來調節LED的電流值，達成改變光源亮度調光的功能，如圖(二)所示。
圖(二) 模擬調光(Analog Dimming) 如果考慮到LED調光的輸入控制信號的話，依據LED調光的輸入控制信號，及LED輸出電流波形的不同，可歸納為4種組態，如表(一)所示。這些不同的調光控制方式，分別應用在照明方面，如商用照明、辦公室照明、居家照明等室內照明需求及顯示器或液晶電視的背光模塊中，系統業者根據不同的產品應用規格，可以選擇優化最具競爭力的調光方式。 表(一) LED調光分類
過去面板背光源是采用冷陰極燈管CCFL，由于電流跟亮度的曲線沒有很線性，所以就采用PWM調光控制，此一趨勢一直沿用到目前的LED背光控制，而為了簡化架構不做太多的變更，調光的輸入控制信號就維持使用PWM調光，調光頻率為大于100Hz數字信號，以LED輸出電流的波形是數字或模擬來定義PWM調光或模擬調光。表(二)為脈波寬度調光與模擬調光的特性比較表，有助于了解兩者特性的不同。 表(二) 脈波寬度調光與模擬調光的特性比較表
總之，如果不了解各種LED調光方式特性及優缺點的不同及實際系統端的應用，并不容易找到正確的調光方法。本文會提出一些分析，透過這些分析，了解LED調光方法和其優缺點就可以選擇適當的調光方法與LED驅動IC進行應用。 （一）LED驅動IC脈波寬度調光應用(PWM Dimming) 以圖(三)是一個升壓單串LED電流，脈波寬度調光應用線路。DIM Pin輸入信號為脈波信號，LED電流為了達到脈波波形輸出，勢必需要在LED的路徑上串接一個功率開關Q2，當DIM Pin輸入信號為高準位時，驅動IC開始動作，對磁性組件電感進行儲能與釋能，將輸出電壓升高到足以讓LED串導通，同時調光開關Q2導通(Turn On)，所以LED輸出電流馬上建立。當DIM Pin輸入信號為低準位時，驅動IC不動作，輸出電壓無法建立讓LED串導通，同時調光開關Q2截止(Turn OFF)，將LED輸出電流同步截止。所以脈波寬度調光應用線路(PWM Dimming)需要增加一個調光開關Q2在LED串聯的路徑上，來達到較佳的脈波輸出。這種脈波寬度的調光方式，是改變脈波導通周期的大小，可以達到1000:1的調光周期(dimming ratio)，所以具有較佳的高低亮度明暗對比。在目前的消費性電子產品顯示器和液晶電壓廣泛的應用。圖(四)是一個實測的波形，輸入電壓20V, LED串的電壓約50V，LED電流500mA，在1KHz/50%調光下的LED電流波形跟升壓開關Q1 Gate 的電壓波形。由波形可知，LED輸出電壓漣波電壓小，LED電流為一導通/不導通的電流信號，LED驅動IC DRV pin驅動信號是一高頻切換周期隨著調光信號做開及關的切換，脈波寬度調光(PWM Dimming)所產生的高頻及不連續的輸出信號容易衍生出EMI、音頻干擾及面板顯示器水紋波等等問題。
圖(三) 脈波寬度調光應用線路一
圖(四) 實測波形一 圖(五)是一個升壓單串LED電流，脈波寬度調光應用線路。為了節省成本，把原本應該串接在LED串路徑上做調光用的開關組件Q2給移除。當DIM Pin輸入信號為高準位時，驅動IC開始動作，對磁性組件電感進行儲能與釋能，把輸出電壓升高，但隨著輸出電壓建立的過程，LED串電流也開始慢慢導通。當DIM Pin輸入信號為低準位時，驅動IC不動作，儲存在輸出電容COUT上的電壓會經由LED串路徑慢慢泄放掉，在調光模式下LED的電流波形，為一個近乎失真的脈波波形，如圖(六)所示。
圖(五) 脈波寬度調光應用線路二
圖(六) 實測波形二 把LED串的調光開關組件省略，這種應用最大的優點是可節省成本，但是提供一個粗糙的亮度調整，利用眼睛視覺暫留反應較慢的特性作為濾波功能，線路的切換頻率隨調光頻率開開關關，在調光頻率Off 時，LED依然流出電流，輸出電壓下降，在調光頻率ON時，輸出電壓會不足以讓LED串完全導通，驅動IC內部的誤差放大器勢必動作去增加電感能量，使輸出電壓上升。如此，會犧牲了線路特性，LED輸出電壓漣波明顯變大，LED輸出電流既非脈波輸出也非線性輸出，所以LED調光電流的線性度，LED平均電流和亮度的線性度會不佳。在調光周期小時，有可能會有閃爍情況，所以調光周期范圍會受限，調光的對比度也會明顯變差。EMI、音頻干擾及面板顯示器水紋波等問題都依然存在，所以這不是一個好的調光方式。 （二）LED驅動IC模擬調光應用(Analog Dimming) 圖(七)是通嘉科技新推出的單串升壓式線性調光控制器LD5857，DIM腳位使用輸入PWM訊號，將調光周期用于調節IC內部回授參考電壓VREF(MAX)，如圖(八)所示。DIM腳位控制IC內部參考準位VREF(MAX)導通周期，周期的電壓準位為0.3V方波，所以將VREF(MAX)轉變為一隨DIM腳位周期而產生的方波(電壓準位為0.3V)，進而產生——VREF=Duty×VREF(MAX)，使回授信號電壓準位VFB=0.3V×Duty，藉由GM跟補償電容C組成低通濾波LPF，得到一近似直流DC的COMP pin電壓準位VCOMP值。DIM腳位的調光頻率建議大于4 ~ 10的Fc(FC : Cut Off Frequency注１)，VCOMP會得到最佳DC值，形成模擬信號調光Analog Dimming。這種調光方式，在DIM Off 時LD5857 DRV Pin依然動作中，電感電流變化和緩，較低的電感電流漣波且輸出LED的電流變化緩慢，因此輸出電容電壓不會有漣波，所以電感及電容不會出現像PWM調光時所產生的振動噪音。LED輸出電壓電流的波形，如圖(九)所示。由于調光方式是模擬調光，所以在LED串路徑上不需額外的開關組件做調光，所以控制方式簡單，線路成本較便宜，調光時LED峰值電流降低，有助于延長LED壽命。且電感電流為連續波形非Burst波形，電感漣波電流小，Audio Noise問題不存在，也沒有EMI及音頻干擾問題。調光線性度佳，LED漣波電流小，無水紋波問題。 (注１: FC : Cut Off Frequency又稱-3dB 截止頻率，信號頻率高于截止頻率時，信號輸出會大幅度衰減。)
圖(七) 模擬調光應用線路
圖(八) 模擬調光控制方式 WLED在背光方面幾乎已全面使用，在照明方面的普及率也已越來越高，針對不同系統應用需求，PWM與模擬調光方式分別適用在各個不同的領域，且各有優缺點。但是現在全世界面板發展為要求低功耗及高分辨率，為了節省導光板，使得光儲存度下降，使得面板對于噪聲的干擾更加敏感，而PWM調光是屬于低頻率調光，所以面板亮度的質量變化更容易受到影響。而模擬調光是屬于振幅調光，電流對比于亮度的調整是線性控制，所以面板亮度的質量不會受到調光干擾。且為了徹底完全改善PWM 調光所造成的其他問題，一些面板業者已逐漸采用模擬調光來取代脈波寬度調光。為了因應這股趨勢，通嘉新推出的LD5857驅動器，在0% ~100%的調光范圍，有絕佳的調光線性度，如圖(十)所示。至于模擬調光的色偏問題，面板業者也已積極改善LED電流跟色彩偏移度的關系，已有不錯的成果。
圖(九) 實測波形三
圖(十) 模擬調光電流線性度 由于現代人普遍長時間使用計算機，容易造成眼睛疲勞的問題，原因為顯示器面板背光是采用的是PWM調光，雖然PWM調光頻率高于人眼的視覺暫留，所以感受不到LED閃爍的現象，但PWM調光仍是屬于一個低頻率開關LED方式來調光，長時間使用下來，PWM調光方式對眼睛仍然是一個負擔，所以眼睛容易有的疲勞問題，而模擬調光方式正好可以解決一般計算機屏幕閃爍對眼睛所造成的疲勞，也提供了不俗的顯示表現。雖然目前在高階液晶電視方面，由于需求有較高的對比度特性，所以目前仍采用PWM調光，但一般的液晶電視及顯示器，也已開始評估及采用模擬調光方式，相信在不久的未來，模擬調光方式一定會逐漸廣泛應用在顯示器及液晶電視背光方面。 |
