簡介
在 LED 照明設備數量成長的趨勢下，提供給 LED 受控電源的積體電路裝置不斷推陳出新。如何節省能源是目前全球的重要議題，而耗電的線性電流源早已不符合這項要求，因此切換式 LED 驅動器取而代之成為業界標準。從手電筒到體育館計分板等各式應用都要求可準確控制調節電流。在許多實例中我們發現還需要可即時變更 LED 輸出強度的機制。此功能就是所謂的「調光控制」。本文在於說明基本 LED 理論以及數種用於切換式 LED 驅動器的調光控制技術。其重點在於類比調光控制與脈衝寬度調變控制的比較，並在文末附上兩者的比較表。
LED 亮度與色溫
LED 亮度
測量 LED 可見光亮度的單位為光通量「強度」，燭光 (cd)。測量 LED 總電源輸出的單位則為流明 (lm) 量。此外我們也必須了解平均正向 LED 電流會決定 LED 的亮度。
LED 色溫
色溫是一種度量方法，說明 LED 射出的光色彩，並且可在 LED 資料表上數量化這些資訊。特定 LED 的色溫將被指定於某範圍內，而且會根據正向電流、接面溫度以及使用時間的不同而有所變化。低色溫的光線偏紅黃（暖色溫），而較高數值的色溫則偏藍綠（冷色溫）。許多有顏色的 LED 會指定主波長而取代指定色溫，而且提供波長的位移量。
LED 調光方式
用來調節 LED 亮度的切換式驅動器電路有兩種最常見的方式有兩種：脈衝寬度調變調光 (PWM Dimming) 與類比調光 (Analog Dimming)。這兩種方式都是透過 LED 或 LED 燈串來控制平均電流，但是仔細比較這兩種調光技術的優缺點時，我們可以發現其中的明顯差異。
圖 1 所示為降壓拓樸中的切換式 LED 驅動器。Vin 必須要高於 LED + RSNS 的總電壓。電感器電流為 LED 電流。藉由監測 CS 接腳的電壓就可調節電流。CS 開始降低至設定電壓之下時，通過 L1 的電流脈衝工作週期（造成 LED 與 RSNS 增加）會增加平均LED 電流。為控制器的 CS 電壓選擇正確的 RSNS 就可設定 LED 電流。
類比調光
LED 類比調光意指調整每一週期 LED 電流。簡單的說，這是一種調整「恆定」LED 電流層級的方式。只要調整電流感應電阻 RSNS，或是在 IC 的部份 DIM 功能接腳上驅動類比電壓，就可完成類比調光。圖 1 說明兩種可能的類比調光方式。
調整 RSNS 進行類比調光
從圖 1 可以得知 RSNS 的數值變更時，固定 CS 參考電壓就會產生LED電流的改變。如果可以找到處理高 LED 電流的電位計，而且還有 sub-1 歐姆數值，就可使用此方法調整LED光線。
在 CS 接腳上驅動 DC 電壓進行類比調光
另一個較複雜的調光技術則是藉由驅動電壓至CS接腳內，直接控制LED的每一週期電流。電壓源通常會插入取樣 LED 電流的回饋迴路，並由放大器緩衝。放大器的增益可控制LED電流。有了這種回饋電路後，就可以執行電流與熱保護機制等功能，進而保護LED。
類比調光的缺點是射出光的色溫可能會因為LED電流而有所變化。在LED色溫達到臨界的情形下，或是特定LED因為LED電流變化而顯示色溫有很大的變化時，無法改變LED電流來調整LED輸出。
PWM 調光
PWM調光方式為 LED 電流在短時間內的實際啟動與重新啟動動作。啟動–重新啟動週期的頻率必須快於人類肉眼所能看到的速度，避免造成燈光閃爍，一般而言，200Hz 或更快的頻率是可被接受的頻率。
這種 LED 調光對調光波長的工作週期為比例性的調整，是由以下的方程式決定：
IDIM-LED = DDIM X ILED
其中，IDIM-LED為平均 LED 電流，DDIM為調光波長的工作週期，而 ILED為額定 LED 電流設定搭配RSNS 選擇(如圖2 所示)。
調節 LED 驅動器
現在有許多 LED 驅動器擁有特殊的 PWM DIM 接腳，可接受較寬廣範圍的 PWM 頻率與振幅，從而簡易的與外部邏輯建立介面。DIM 功能僅會關閉輸出驅動器，同時讓內部電路繼續運作，因此避免重新啟動 IC 的延遲。我們也可以使用輸出啟動接腳與其他邏輯關閉的功能。
雙線式 PWM 調光
雙線式 PWM 調光是汽車內部照明所常用的調光方式。由於 VIN 調節至 VIN-NOMINAL 的 70% 以下，VINS 接腳（請參閱圖 2）可偵測到電壓的改變並將 PWM波長轉換成輸出驅動的相對應PWM。此方法的缺點在於轉換器的電源必須包含可將PWM波長重疊至本身DC輸出的電路。
使用分路裝置進行快速PWM 調光
由於轉換器輸出的關閉與啟動延遲，因此限制了 PWM 調光頻率以及工作週期範圍。為了解決延遲的問題，可將圖 3 中所示的 FET 等外部分路裝置平行置於 LED 或 LED 串，才可快速繞過LED 周圍的轉換器輸出電流。「LED 關閉時間」期間，電流仍持續進入電感器可以避免電流在電感器電流基座上來回時產生長時間延遲。現在的延遲時間轉換到分路裝置上升與下降時間的限制。圖 3 所示為 LM3406 裝載分路 FET，另一個圖則比較使用 DIM 功能接腳與分路 FET 之間的 LED 開/關延遲。在兩種測量中所使用的輸出電容為 10nf，分路 FET 使用的是 Si3458。
因為開啟 FET 時會產生輸出電流過衝，所以使用電流模式轉換器分路 LED 電流時必須特別小心。LM340x 系列的 LED 驅動器為即時控制轉換器，不會產生過衝問題。我們應該保持 LED 上的低輸出電容以獲得最大化開啟/關閉/開啟的轉換速度。
使用快速調光電路與關閉輸出的缺點是損失效率。分路裝置開啟時，VShunt device X ILED 的電力消耗會以熱能形式損失。使用低 RDS-ON 的 FET 可減少此效率損失。
使用分路 LED 以取得較快轉換時間的另一個缺點是此動作無法在升壓轉換拓樸中作用。在升壓的拓樸中，將負載端造成短路就等於是透過電感器造成 Vin 至接地的短路。
LM3409 多重調光功能
美國國家半導體所推出的 LM3409 為獨特的 LED 驅動器，可提供完整類比與 PWM 調光功能。在這裝置上有四種 LED 調光的可能方法：
1. 直接使用 0V 至 1.24V 電壓來源驅動 IADJ 接腳以進行類比調光
2. 在 IADJ 接腳與地面間放置電位計以進行類比調光
3. 使用啟動接腳以進行 PWM 調光
4. 使用外部分路 FET 以進行 PWM 調光
我們必須使用電位計連接 LM3409 才可進行類比調光（請參閱圖 4）。內部的 5uA 電流源會在 RADJ 上建立電壓，進而變更內部電流感應設定。我們也可以使用DC 壓直接驅動 IADJ 接腳來達到相同的效果。
圖 5 所示為 IADJ 接腳與地面間，受測量的 LED 電流與電位計電阻的比較。在 1 Amp 的平頂代表最大額定 LED 電流，由圖 4 中所示的電流感應電阻 RSNS 所設定。
圖 6 所示為受測量的 LED 電流由於驅動 DC 電壓至 IADJ 接腳的比較。請注意，相同的最大 LED 電流是由 RSNS 所設定。這兩項類比調光選項都很容易執行，提供的線性調光可向下達到最大電流的 10%。
LED 效率
LED 發光效率大致可定義為以輸入電源瓦特數除以可見輸出光電源流明數；以每瓦特流明作為表示。所有進入LED但並未成為可見光的電源會被轉換成熱能或是不可見的電磁輻射。LED的特性即是在低輸出等級時可獲得較高的效率。
圖 7 所示為順向 LED 電流與特定 LED 流明輸出之間的關係。請注意 LED 電流增加時非線性特性亦會隨之出現。順向 LED 電流超越線性範圍時，就會降低提高每瓦特時的流明效率。線性範圍以上的作業會造成輸出電源轉換成來自 LED 的熱能。
在低調光等級的情形下，比起PWM 調光，使用類比調光的 LED 效率較高。假設PWM調光的LED有低工作週期，LED 尖峰電流會比用平均時間 LED 電流來的高。圖 7 所示為在這些尖峰電流偏離的過程中所產生的 LED 浪費的能量。類比調光 LED 只會在平均電流層級運作。
調整離線 LED 燈具
離線 LED 照明可以作業的AC 電壓，在日本為 100 VAC 而在部份工業應用中則為 300 VAC 以上。以 LED 取代螢光燈泡的優點之一為提高使用效率。LED 燈具可以使用大概 80,000 個小時才需進行維修或替換，但螢光燈具可能只能維持 6,000 小時。長期看來，替換至 LED 燈具所節省的成本通常遠超過 LED 燈具本身的花費。
在住宅照明的應用上會更可能需要使用可調光的 LED 燈具。常見的兩種調光類型為 TRIAC 與 10 VDC，而 TRIAC 調光器則更為常見。TRIAC 控制器可在任何一間居家裝潢店取得，也比較常見於大部分家庭中。TRIACS 會「切斷」部份的 AC 波長以提高工作週期效率並提供電流給燈具。TRIAC 調光的缺點是無法完全解決在低調光時閃爍光源的輸出。LED 驅動器技術的進展改善了 TRIAC 的調光技術，現今的驅動器比較能透過「解碼」低調光設定以輸出沒有閃爍的光線。
所謂 10 VDC 調光，是在使用 10V 的燈具上將 0V 到 10V 的 DC 電壓應用到調光控制器，其中的0V 對應到無光線，而 10V 則產生全幅的燈光輸出。10 VDC 照明需要從調光器安裝額外的連接線至燈具，在等級較高的燈具中比較常見，因為此種燈具需要更多的線性調光控制以及比TRIAC調光器更好的調光比例。
結語
有許多方式可以調整切換式調節器供電的 LED 光線。而 PWM 與類比這兩種主要調光方式則各有優缺點。PWM 調光大幅降低 LED 的顏色變化，並有不同的亮度層級，可提供額外邏輯來建立 PWM 波長。類比調光則是比較簡單的電路，但不適用於需要恆定色溫的應用。
在 LED 照明設備數量成長的趨勢下，提供給 LED 受控電源的積體電路裝置不斷推陳出新。如何節省能源是目前全球的重要議題，而耗電的線性電流源早已不符合這項要求，因此切換式 LED 驅動器取而代之成為業界標準。從手電筒到體育館計分板等各式應用都要求可準確控制調節電流。在許多實例中我們發現還需要可即時變更 LED 輸出強度的機制。此功能就是所謂的「調光控制」。本文在於說明基本 LED 理論以及數種用於切換式 LED 驅動器的調光控制技術。其重點在於類比調光控制與脈衝寬度調變控制的比較，並在文末附上兩者的比較表。
LED 亮度與色溫
LED 亮度
測量 LED 可見光亮度的單位為光通量「強度」，燭光 (cd)。測量 LED 總電源輸出的單位則為流明 (lm) 量。此外我們也必須了解平均正向 LED 電流會決定 LED 的亮度。
LED 色溫
色溫是一種度量方法，說明 LED 射出的光色彩，並且可在 LED 資料表上數量化這些資訊。特定 LED 的色溫將被指定於某範圍內，而且會根據正向電流、接面溫度以及使用時間的不同而有所變化。低色溫的光線偏紅黃（暖色溫），而較高數值的色溫則偏藍綠（冷色溫）。許多有顏色的 LED 會指定主波長而取代指定色溫，而且提供波長的位移量。
LED 調光方式
用來調節 LED 亮度的切換式驅動器電路有兩種最常見的方式有兩種：脈衝寬度調變調光 (PWM Dimming) 與類比調光 (Analog Dimming)。這兩種方式都是透過 LED 或 LED 燈串來控制平均電流，但是仔細比較這兩種調光技術的優缺點時，我們可以發現其中的明顯差異。
圖 1 所示為降壓拓樸中的切換式 LED 驅動器。Vin 必須要高於 LED + RSNS 的總電壓。電感器電流為 LED 電流。藉由監測 CS 接腳的電壓就可調節電流。CS 開始降低至設定電壓之下時，通過 L1 的電流脈衝工作週期（造成 LED 與 RSNS 增加）會增加平均LED 電流。為控制器的 CS 電壓選擇正確的 RSNS 就可設定 LED 電流。
類比調光
LED 類比調光意指調整每一週期 LED 電流。簡單的說，這是一種調整「恆定」LED 電流層級的方式。只要調整電流感應電阻 RSNS，或是在 IC 的部份 DIM 功能接腳上驅動類比電壓，就可完成類比調光。圖 1 說明兩種可能的類比調光方式。
調整 RSNS 進行類比調光
從圖 1 可以得知 RSNS 的數值變更時，固定 CS 參考電壓就會產生LED電流的改變。如果可以找到處理高 LED 電流的電位計，而且還有 sub-1 歐姆數值，就可使用此方法調整LED光線。
在 CS 接腳上驅動 DC 電壓進行類比調光
另一個較複雜的調光技術則是藉由驅動電壓至CS接腳內，直接控制LED的每一週期電流。電壓源通常會插入取樣 LED 電流的回饋迴路，並由放大器緩衝。放大器的增益可控制LED電流。有了這種回饋電路後，就可以執行電流與熱保護機制等功能，進而保護LED。
類比調光的缺點是射出光的色溫可能會因為LED電流而有所變化。在LED色溫達到臨界的情形下，或是特定LED因為LED電流變化而顯示色溫有很大的變化時，無法改變LED電流來調整LED輸出。
PWM 調光
PWM調光方式為 LED 電流在短時間內的實際啟動與重新啟動動作。啟動–重新啟動週期的頻率必須快於人類肉眼所能看到的速度，避免造成燈光閃爍，一般而言，200Hz 或更快的頻率是可被接受的頻率。
這種 LED 調光對調光波長的工作週期為比例性的調整，是由以下的方程式決定：
IDIM-LED = DDIM X ILED
其中，IDIM-LED為平均 LED 電流，DDIM為調光波長的工作週期，而 ILED為額定 LED 電流設定搭配RSNS 選擇(如圖2 所示)。
調節 LED 驅動器
現在有許多 LED 驅動器擁有特殊的 PWM DIM 接腳，可接受較寬廣範圍的 PWM 頻率與振幅，從而簡易的與外部邏輯建立介面。DIM 功能僅會關閉輸出驅動器，同時讓內部電路繼續運作，因此避免重新啟動 IC 的延遲。我們也可以使用輸出啟動接腳與其他邏輯關閉的功能。
雙線式 PWM 調光
雙線式 PWM 調光是汽車內部照明所常用的調光方式。由於 VIN 調節至 VIN-NOMINAL 的 70% 以下，VINS 接腳（請參閱圖 2）可偵測到電壓的改變並將 PWM波長轉換成輸出驅動的相對應PWM。此方法的缺點在於轉換器的電源必須包含可將PWM波長重疊至本身DC輸出的電路。
使用分路裝置進行快速PWM 調光
由於轉換器輸出的關閉與啟動延遲，因此限制了 PWM 調光頻率以及工作週期範圍。為了解決延遲的問題，可將圖 3 中所示的 FET 等外部分路裝置平行置於 LED 或 LED 串，才可快速繞過LED 周圍的轉換器輸出電流。「LED 關閉時間」期間，電流仍持續進入電感器可以避免電流在電感器電流基座上來回時產生長時間延遲。現在的延遲時間轉換到分路裝置上升與下降時間的限制。圖 3 所示為 LM3406 裝載分路 FET，另一個圖則比較使用 DIM 功能接腳與分路 FET 之間的 LED 開/關延遲。在兩種測量中所使用的輸出電容為 10nf，分路 FET 使用的是 Si3458。
因為開啟 FET 時會產生輸出電流過衝，所以使用電流模式轉換器分路 LED 電流時必須特別小心。LM340x 系列的 LED 驅動器為即時控制轉換器，不會產生過衝問題。我們應該保持 LED 上的低輸出電容以獲得最大化開啟/關閉/開啟的轉換速度。
使用快速調光電路與關閉輸出的缺點是損失效率。分路裝置開啟時，VShunt device X ILED 的電力消耗會以熱能形式損失。使用低 RDS-ON 的 FET 可減少此效率損失。
使用分路 LED 以取得較快轉換時間的另一個缺點是此動作無法在升壓轉換拓樸中作用。在升壓的拓樸中，將負載端造成短路就等於是透過電感器造成 Vin 至接地的短路。
LM3409 多重調光功能
美國國家半導體所推出的 LM3409 為獨特的 LED 驅動器，可提供完整類比與 PWM 調光功能。在這裝置上有四種 LED 調光的可能方法：
1. 直接使用 0V 至 1.24V 電壓來源驅動 IADJ 接腳以進行類比調光
2. 在 IADJ 接腳與地面間放置電位計以進行類比調光
3. 使用啟動接腳以進行 PWM 調光
4. 使用外部分路 FET 以進行 PWM 調光
我們必須使用電位計連接 LM3409 才可進行類比調光（請參閱圖 4）。內部的 5uA 電流源會在 RADJ 上建立電壓，進而變更內部電流感應設定。我們也可以使用DC 壓直接驅動 IADJ 接腳來達到相同的效果。
圖 5 所示為 IADJ 接腳與地面間，受測量的 LED 電流與電位計電阻的比較。在 1 Amp 的平頂代表最大額定 LED 電流，由圖 4 中所示的電流感應電阻 RSNS 所設定。
圖 6 所示為受測量的 LED 電流由於驅動 DC 電壓至 IADJ 接腳的比較。請注意，相同的最大 LED 電流是由 RSNS 所設定。這兩項類比調光選項都很容易執行，提供的線性調光可向下達到最大電流的 10%。
LED 效率
LED 發光效率大致可定義為以輸入電源瓦特數除以可見輸出光電源流明數；以每瓦特流明作為表示。所有進入LED但並未成為可見光的電源會被轉換成熱能或是不可見的電磁輻射。LED的特性即是在低輸出等級時可獲得較高的效率。
圖 7 所示為順向 LED 電流與特定 LED 流明輸出之間的關係。請注意 LED 電流增加時非線性特性亦會隨之出現。順向 LED 電流超越線性範圍時，就會降低提高每瓦特時的流明效率。線性範圍以上的作業會造成輸出電源轉換成來自 LED 的熱能。
在低調光等級的情形下，比起PWM 調光，使用類比調光的 LED 效率較高。假設PWM調光的LED有低工作週期，LED 尖峰電流會比用平均時間 LED 電流來的高。圖 7 所示為在這些尖峰電流偏離的過程中所產生的 LED 浪費的能量。類比調光 LED 只會在平均電流層級運作。
調整離線 LED 燈具
離線 LED 照明可以作業的AC 電壓，在日本為 100 VAC 而在部份工業應用中則為 300 VAC 以上。以 LED 取代螢光燈泡的優點之一為提高使用效率。LED 燈具可以使用大概 80,000 個小時才需進行維修或替換，但螢光燈具可能只能維持 6,000 小時。長期看來，替換至 LED 燈具所節省的成本通常遠超過 LED 燈具本身的花費。
在住宅照明的應用上會更可能需要使用可調光的 LED 燈具。常見的兩種調光類型為 TRIAC 與 10 VDC，而 TRIAC 調光器則更為常見。TRIAC 控制器可在任何一間居家裝潢店取得，也比較常見於大部分家庭中。TRIACS 會「切斷」部份的 AC 波長以提高工作週期效率並提供電流給燈具。TRIAC 調光的缺點是無法完全解決在低調光時閃爍光源的輸出。LED 驅動器技術的進展改善了 TRIAC 的調光技術，現今的驅動器比較能透過「解碼」低調光設定以輸出沒有閃爍的光線。
所謂 10 VDC 調光，是在使用 10V 的燈具上將 0V 到 10V 的 DC 電壓應用到調光控制器，其中的0V 對應到無光線，而 10V 則產生全幅的燈光輸出。10 VDC 照明需要從調光器安裝額外的連接線至燈具，在等級較高的燈具中比較常見，因為此種燈具需要更多的線性調光控制以及比TRIAC調光器更好的調光比例。
結語
有許多方式可以調整切換式調節器供電的 LED 光線。而 PWM 與類比這兩種主要調光方式則各有優缺點。PWM 調光大幅降低 LED 的顏色變化，並有不同的亮度層級，可提供額外邏輯來建立 PWM 波長。類比調光則是比較簡單的電路，但不適用於需要恆定色溫的應用。
