PWM/模擬驅動器引領WLED背光源調光解析

　　WLED大行其道，針對不同應用需求，PWM與模擬調光驅動器將在不同領域各擅勝場，有鑑於此，目前產業界已開發出能切換模擬與PWM調光模式的解決方案，以因應不同市場需求。

　　白光發光二極體(WLED)擁有許多冷陰極燈管所不及的優點，如固態裝置、指向性光源等，此外，WLED能以較低的電壓進行運作，且可在更大的亮度範圍進行調光，以及調光時會呈現出相當線性的亮度變化。

　　目前眾多內建顯示器的電子裝置皆採用WLED型背光。若未確實了解各種方法的實作方式及優缺點，並不易找到正確的LED調光方法。本文會先簡略說明LED 的供電方式，接著分述兩種LED調光方法和其優缺點。透過這些信息，便能選擇適當的調光方法與LED驅動IC進行應用。

　　配置電壓調節轉換器達成WLED供電

　　WLED亮度會隨著通過的電流而呈現直線變化，為使得各串行達到最佳的WLED電流準確度及一致性亮度，LED驅動器應調節通過LED的電流電壓，而非調節LED兩端的電流電壓。圖1顯示如何在輸出大於LED正向電壓的總和且電壓(VLED)下降情況下，重新設定任何可調整輸出的電流調節直流對直流 (DC-DC)轉換器成為穩定電源，以驅動串聯的多顆WLED。

圖1 可調整輸出DC-DC轉換器提供通過WLED串行的穩定電流

　　調節電流偵測電阻(RSENSE)兩端的電壓(VSENSE)而非輸出電壓(VO)之後，驅動器便成穩定電源，使得VO可隨著由電壓和溫度所產生的ΣVLED變化自行調整。WLED的電壓降幅範圍為3～4伏特，此一降幅受到LED電流的直接影響，且與溫度成反比關係。最近的低功耗驅動器將外部偵測電阻置換為一個或多個電流汲入，尤其是單結型場效應電晶體(FET)(圖2)。

圖2 含有整合式電流汲入的LED驅動器

驅動器有兩種功能，不僅能夠調整汲入FET的驅動電壓以達到通過汲入FET的適當電流(相對於偏壓電流)，且能夠調整整合式DC-DC轉換器(一般為升壓轉換器)的輸出功率，使得FET具有該電流所需的最低汲源極電壓。這類含有整合式升壓轉換器及八個整合式電流汲入的驅動器，其中一例為TPS61195。

消弭噪音為PWM調光首要課題

為提升顯示效果，並優化不同環境照明亮度的LED驅動器效率，較新型LED背光電子裝置能達到較大的調光範圍。有兩種方法可用於LED調光：脈衝寬度調變(PWM)調光及模擬調光(圖3)。

圖3 採用模擬調光及PWM調光時的燈光或LED電流

　　為了進行PWM調光，數位訊號處理器(DSP)或微控制器(MCU)會傳送不同負載周期(D)的PWM訊號，以針對圖1所示的驅動器啟用及停用WLED驅動器的轉換器，或針對圖2所示的驅動器啟用及停用電流汲入。因此，通過WLED串行的平均電流等於負載周期乘以最大電流，亦即ILEDavg = D×ILEDmax。

　　由於通過LED的最大電流都相同，因此PWM調光結果會呈現出相當線性的亮度變化。另外，由於LED發光的光譜會因電壓降幅而產生變化，而電壓降幅會因維持最大值的ILED而產生變化，因此LED背光的色度(亦即色彩、色相或實際達到白光的程度)在採用PWM調光時可達到絕佳效果。

　　PWM調光的關鍵缺點是噪音。若PWM訊號被用於啟用與停用轉換器，驅動器的調光比例上限會受到啟動轉換器、輸出電容充電及達到個別最大電流需要的時間所限制。即使WLED驅動器能夠使轉換器在1MHz以上的切換頻率運作，轉換器的控制迴路響應時間及/或啟動時間亦需要數百微秒至數毫秒的時間。因此，為了讓驅動器有時間達到最大電流，PWM調光頻率僅能係數百Hz。

　　陶瓷輸出電容的壓電性會造成電容以PWM訊號頻率在可聽見噪音的範圍(20k～20kHz)內進行充電及放電，此時電容便會振動，且電容和印刷電路板會因為振動而產生雜音。振動的程度、電壓變化的振幅及陶瓷電容封裝尺寸呈正比，因此縮小電容封裝尺寸可減少雜音。

　　圖2顯示的驅動器藉由將電流汲入開啟與關閉以進行PWM調光。另一方面，TPS61093之類的驅動器將FET與LED串行，FET可迅速開關，因此驅動器的輸出毋需LED。在這兩種情況下，第二個電壓回饋迴路可提供過壓防護，且可在LED關閉時維持輸出電容的電壓。由於輸出電容的電壓變化已達到最小程度，因此能夠減少振動及發出的聲響。

　　模擬調光亮度線性/色度待提升

　　模擬調光一詞係指通過LED的DC電流本身隨著負載周期產生變化。若要針對圖1所示的驅動器進行模擬調光，DSP或MCU必須提供高於轉換器調節電壓的外部DC電壓(或低通濾波的PWM訊號)。

　　某些具有電流汲入的驅動器將輸入PWM訊號濾波，然後以經過位準偏移的訊號來驅動電流汲入，如TPS6116x系列之類的其他驅動器則使用輸入PWM訊號，將負載周期用於能隙參考電壓，因此VREF=D×VREF(MAX)。由於ILED DC電流變化緩慢，因此輸出電容電壓不會有漣波。所以電容不會出現像採用PWM調光時所產生的振動。

　　相較於PWM調光，模擬調光的另一項優點是電源效率及光電轉換效率較高。尤其升壓轉換器的輸出電壓(ΣVLEDs)會因ILED降低而隨之降低。因此使用模擬調光而非PWM調光時，轉換器的輸出功率會略微降低。

　　由於升壓轉換器須要提供較低的輸出電壓，因此輸入電源需求會降低並使效率提高(圖4)。在混合模式調光中，驅動器執行D最低達到6.25%的模擬調光，接著轉換為PWM調光，以提高亮度線性。

圖4 混合模式調光及PWM調光的效率比較

　　此外，驅動器可達到較高的光電轉換效率，這表示耗用相同的電力可達到更高的流明。然而，模擬調光也有深度調光的某些電流準確度問題，此因回饋調節電壓或電流汲入電壓過小，而無法準確控制，此乃受限於錯誤放大器的偏移電壓所致。亮度線性及色度也不比PWM調光，尤其是在深度調光時(圖5)。事實上，除非將兩個相同的顯示器並置進行比較，否則一般人很難辨別色度或線性的差異。

圖5 採用PWM調光及模擬調光時的LED亮度線性

　　若應用的照明需要最佳的線性及色度，則可達到真正PWM調光的驅動器會是最適當的選擇。若應用對於噪聲相當敏感或需要最高的效率，則須採用模擬調光的驅動器。若採用PWM調光碟機動器，並運用第二個回饋迴路來降低輸出電壓漣波，則無法避免發出雜音。現已有驅動器能在調光方法之間切換，以發揮各種調光方法的最佳特性。只要能進一步掌握LED調光選項及其優缺點，選擇LED驅動器便輕而易舉。