通過31級調光範圍，現有LED驅動器能夠提供良好的調光能力，從而為LCD顯示幕提供平滑的背光增強或減弱效果。然而，當終端應用涉及到較大的高端顯示幕時，這樣一個範圍就可能不夠了。特別是對於避免突兀的光亮度變化，有必要保持非常平滑的啟動和關斷，否則這種變化在LCD顯示幕工作於較暗的環境中時就會被感知為脈衝光。為了消除這種視覺壓力，須要更多的調光步驟，提供極低的啟動序列。本文將闡述一種將現有LED驅動器從31級調光增加到93級的簡單方法。
基本操作原理
通常來講，發光二極體（LED）電流通過電流鏡結構來監測，這種結構能夠對流經LED的直流電流進行精確調節。電流不是由外部微控制器（MCU）就是由LED驅動器的內置邏輯來進行數位控制。對於邏輯電路產生的每一個步驟而言，電流增加或減少，取決於終端用戶選定的方向，LED的亮度就相應地變化。就這點而言，可以考慮兩種光變化方法：要麼是純粹的線性曲線，要麼是指數曲線。這兩種方法各有其優缺點，但在選擇何種曲線之前應該考慮人眼的感受。
從矽設計的角度講，基本上線性曲線更為容易，但需要更多級（step）才能恰當地處理較小的光變化，特別是LED工作在低電流區域時。同樣地，指數曲線集成到矽晶片中會較複雜，但需要的調光級較少，因為曲線的低端部分就能夠在低端電流區域提供非常平滑的變化。考慮到人眼對光的反應，兩相比較的結果就是指數曲線更適合，因為它會自動補償人眼對光線感知的對數曲線。圖一中的曲線說明了這種原理。
應用平滑的調光功能
憑藉準指數形式的31級，在此以安森美半導體的NCP5623元件作一個參考來描述高粒度的調光功能。基本上，這晶片含有一個電荷泵，用於產生給LED的足夠電壓，並含有三個獨立的電流鏡，用於精確地調節流經LED的直流正向電流。
峰值電流由IREF引腳產生的參考電流乘以2 N來設定，其中指數N是外部MCU所設定的級數：
- ILED = [(Vref/R)*2600]/(32-N)
參考電壓Vref由NCP5623的內部結構強制設定為600 mV，而電阻R連接Vref引腳和地。恒定係數2600是參考電流源和連接至LED的最後一個電流鏡之間產生的內部比例。
此外，31級脈寬調變（PWM）與每個LED都相關，可對每個LED的亮度進行單獨控制。基本的工作如圖二所示。
假設ILED峰值電流設定為25 mA，第一級將使300μA（典型值）電流流經LED，使零至ILED之間的變化對於人眼來說相對較為突兀，特別是在外界光亮度低的條件下。為了克服這一點，我們可以動態地降低參考電流，使ILED變化較小：圖三中所示的基本原理圖闡釋了這個已經證明的精確概念。HIGH-I和LOW-I這兩位能由MCU結合起來動態地調節新的電流參考，從而產生新的ILED電流提供給LED。當然，如果這兩位都是低電平，使參考電流變為零，那麼就沒有ILED流經LED。
另一種方法是利用現有PWM技術：將這個功能結合到單個LED中，就可在調光功能期間提供極寬的ILED電流變化。這個概念基於正常設置的ILED峰值電流等於將流至調光序列末端的預計總LED電流的三分之一。3個PWM將設定為串聯形式，使工作期間的ILED變化較小。
這樣一來的結果就是共有93個調光級，使用相同的準指數曲線將ILED電流從零增加(或減小)至晶片中設定的最大ILED電流。假設最大ILED電流為15 mA，NCP5623將設定為使每個輸出電流為5 mA，而第一級將使LED電流低於100μA，提供非常平滑的變化，而不會對人眼帶來視覺壓力。這序列將計算每個PWM的每一級，並啟動下一個PWM，以增大流至LED的電流，使計數器計數完成時產生設定的15 mA電流。圖4所示的原理圖闡述了應用於NCP5623的這個概念。
電晶體Q1用於補償調光序列從一個PWM轉至下一個PWM時產生的尖鋒。基本上，電容C4區分電流鏡輸入引腳處出現的電壓瞬態現象，通過強行施加一個短脈衝至外部電阻R3來降低參考電流IREF。
圖五提供的曲線展示NCP5623在這種條件下的表現。它可以產生達多90級，得到平滑的上升過程，這樣與人眼的感光度契合得很好。雖然藍色曲線中有些點呈現出非光滑波形（主要是因為測量等級存在的誤差），但多項式曲線（橙色）在調光級和ILED電流之間產生非常良好的契合關係。
結合圖3中所描述的動態IREF控制功能和90級的序列，還有可能進一步提升曲線的平滑度。這裏無需其他元件，只是需要軟體程式來結合這兩項機制。
結論
與動態可設定的參考電源相關的嵌入式電流鏡，使NCP5623能夠在最終應用需要非常平滑調光時能處理超過90個調光級。此外，一種簡單的軟體程式提供180級的調光斜線擴展，使系統在四周光照亮度極低的環境下能夠產生極其平滑的曲線。
--作者為安森美半導體低壓電源管理部技術專家組資深成員--
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