如何调节您的 WLED 背光驱动器
（How to dim your WLED backlight driver）
作者：Jeff Falin，德州仪器 (TI) 现场应用工程师
相比荧光灯，白色发光二极管 (WLED) 具有许多优势。这些优势包括其为一种固态器件和定向光源。它们的工作电压更低，且拥有更宽的亮度调节范围。另外，在进行亮度调节时，它们还具有更为线性的亮度变化。
许多显示器的电子器件现在都使用 WLED 型背光。如果没有正确理解每一种方法的实施原理，以及每一种方法的好处和局限性，要选择正确的 LED 调节方法具有一定的挑战性。在简要回顾 LED 供电原理以后，本文将从利弊两方面概述两种 LED 亮度调节方法。通过我们的叙述，您可以轻松地为具体应用选择正确的亮度调节方法和 LED 驱动器 IC。
配置一种为 WLED 供电的稳压转换器
WLED 的亮度随流过它的电流线性变化。假设每串的 WLED 电流精度最佳且 WLED 亮度一致，则 LED 驱动器应对 LED 的电流而非电压进行调节。图 1 显示了如何轻松地将任何一种可调输出稳压 DC/DC 转换器，重新配置为一个驱动多个串联 WLED 的恒流源，条件是其输出大于 LED 正向电压 (VLED) 压降之和。
图 1-可调输出 DC/DC 转换器为一个或多个 WLED 串提供恒定电流
通过调节电流检测电阻器 (RSENSE) 的电压 VSENSE，而非输出电压 (VO)，驱动器实质为一个恒定电流源。这样使 VO 可以自由地自我调节，以适应 SVLED 的变化。WLED 具有 3.0V 到 4.0V 的压降范围。压降与 LED 电流成正比例变化，而与温度成反比例变化。最近，一些低功耗驱动器使用一个或多个电流阱（实质为 FET），来代替外部检测电阻器，如图 2 所示
脉宽调制亮度调节
为了提高视觉体验和优化不同环境光水平的 LED 驱动器效率，更新型的 LED电子背光以拥有较宽的亮度调节范围为傲。LED 调节方法共有两种：脉宽调制 (PWM) 调节和模拟调节。图 3 显示了 LED 电流及其亮度在使用模拟和 PWM 调节方法时的变化情况
图 3-使用模拟和 PWM 调节时的灯管或 LED 电流情况
要实现 PWM 调节，一个数字信号处理器 (DSP) 或者微控制器需在不同占空比 (D) 条件下发送一个 PWM 信号，开启和关闭图 1 所示驱动器的 WLED 驱动器转换器，或者图 2 所示驱动器的电流阱。因此，WLED 串的平均电流为占空比乘以最大电流，即 ILEDavg = D X ILEDmax。
由于 LED 的最大电流相同，因此 PWM 调节结果是一种非常线性的亮度变化。另外，由于 LED 的发射光谱随其压降变化，而压降又随 ILED（始终保持最大值）变化，因此使用 PWM 调节方法时 LED 背光的色度（其色彩度及色调，即其实际“白”程度）极好。
PWM 调节的主要缺点是可听噪声。如果 PWM 信号用于开启和关闭转换器，则驱动器的最大调节比受限于转换器启动，对输出电容充电，然后稳定达到其各自最大电流所花费的时间。尽管 WLED 驱动器可能会有一些 1MHz+ 开关频率下工作的转换器，但转换器的控制环路响应时间和/或启动时间范围为数百微秒到几毫秒。因此，为了适应驱动器稳定达到其最大电流的时间，PWM 调节频率可以仅为数百赫兹。
陶瓷输出电容器的压电特性，使电容器在可听范围（20Hz–20kHz）的 PWM 信号频率下充放电。它会振动，人耳可以听到电容器和印制电路板的运行，其听起来像振铃或者蜂鸣声。这种振动与电压变化幅度和陶瓷电容器封装尺寸成正比例关系。缩小电容器封装尺寸，可以减少这种振铃。
图 2 所示驱动器通过开关电流阱，实现 PWM 调节。另一种方案是，如 TPS61093 等驱动器具有一个与 LED 串联的 FET。FET 被快速地开启和关闭，从而将 LED 从驱动器输出移除。两种方案中，第二电压反馈环路都提供了过电压保护，并在LED关闭时保持输出电容器的电压。由于输出电容器的电压变化得到了最小化，其振动和振铃也减少了。
模拟调节
术语模拟调节意思是 LED 本身的 DC 电流相对于占空比 D 变化。为了实现图 1 所示驱动器的模拟调节，DSP 或者微控制器必须提供一个高于转换器调节电压的外部 DC 电压（或低通滤波 PWM 信号）。
一些具有电流阱的驱动器使用输入 PWM 信号，对其进行滤波，然后使用电平转换型信号驱动电流阱。其它驱动器系列（例如：TPS6116x 系列等），使用输入 PWM 信号将占空比 D 应用于带隙基准电压，因此 VREF = D * VREF(MAX)。由于 ILED DC 电平电流变化较慢，因此输出电容器电压没有纹波。所以，电容器不会像 PWM 调节时那样振动。
模拟调节相对于PWM 调节的另一个好处是更高的功效和电光转换效率。特别是，ILED 降低，增压转换器输出电压=SVLEDs也随之降低。因此，相对于 PWM调节，使用模拟调节时转换器的输出功率略低。
由于增压转换器需要提供更低的输出电压，其输入功率要求降低，而其效率增加。图 4 对比了相同输入电压和相同LED条件下，使用混合模式和 PWM 调节时的驱动器效率。在混合模式调节中，驱动器执行模拟调节，占空比 D=6.25%，之后转换为 PWM 调节，以获得更好的亮度线性。
图 4-混合模式与 PWM 调节的效率对比
另外，驱动器具有更高的光电转换效率，其意味着相同功耗条件下更多的流明。但是，由于反馈调节电压或者电流阱电压变得太小以至于无法精确控制，因此在进行深度调节时模拟调节存在一些电流精确度问题。出现这种问题的原因是误差放大器的补偿电压。亮度线性和色度不如 PWM 调节那么好，在进行深度调节时更是如此。图 5 对比了使用模拟调节和 PWM 调节时一串调光 LED 的亮度。
图 5-PWM 和模拟调节时的 LED
