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高速LED閃光驅動有斬獲 機器視覺動態感測力升級

上述所有系統所面臨的一項挑戰,便是產生超高電流以及短暫(數微秒)的LED相機閃光波形,並能延續至更長的時間,像是100毫秒到1秒以上。若是要產生短暫方波LED閃光波形並延續更長的週期時間,這樣的任務就相當艱鉅。當LED的驅動電流升高到1安培以上,LED的導通時間(On-Times)就會縮短至數微秒,導致挑戰難度更高。許多LED驅動器配合的高速PWM功能並無法有效率地應付冗長的關斷(Off-Times)以及短暫時間的高電流,經常致使方波波形劣化(Degradation),而系統必須依賴這些波形才能妥善地高速處理影像。 涓流充電補償漏電流狀況 為此,半導體業者研發新一代高速LED驅動器,如ADI旗下的LT3932,不僅能為機器視覺攝影機閃光燈提供2安培LED燈串的驅動力,非導通時間還能支援到1秒、1小時、1天或甚至更久。即使在長時間關斷下,LT3932的特殊攝影機閃光燈功能使其能維持輸出電容與控制迴路的充電狀態。在取樣輸出狀態與電容的控制迴路之後,該產品還會在關斷期間繼續對這些元件進行涓流充電(Trickle-Charge),以補償常見的漏電流狀況,而這些還沒將其他LED驅動器納入考量。 當多個驅動器並聯以提高LED閃光燈電流時,LT3932的專利閃光燈技術就會等比例的放大。並聯後的閃光燈仍會維持其形狀與完整性。圖1顯示為一個3安培相機閃光燈並聯兩個驅動的設計,其可以輕易地擴充至4安培。 圖1 並聯LT3932 1.5安培LED驅動器產生3安培機器視覺LED脈衝,並支援比標準PWM調光頻率更長的關斷時間。 機器視覺系統對於LED閃光燈的要求,遠比標準PWM調光驅動器還要嚴苛。大多數高階LED驅動器都是設計用來在至少100Hz的PWM頻率上產生PWM調光亮度控制機制。這是因為較低的頻率會被人眼察覺,即使LED波形為方波或重複性,也會產生惱人的閃爍或殘影。在100Hz的頻率下,理論上關斷時間最大值約為10ms。在10ms的關斷期眼,如果設計正確,LED驅動器會損耗最少的輸出電容電荷,讓它能啟動控制迴路至大約相同的狀態,也就是先前終止最後PWM ON脈衝的狀態。除了快速反應以及電感電流的快速升高,下個LED PWM ON脈衝也是非常快速且重複,啟動(Start-Up)時間極短。更長的關斷時間(低於100Hz的頻率)會承受輸出電容電荷損耗的風險,導致LED重新開啟時無法快速反應。 並聯LED驅動器支援更高電流 LED驅動器可作為電流來源以調節輸出至發光二極體的電流。由於電流只會循單一方向流進輸出端,因此多個LED驅動器可並聯配置,其電流會加總至整個負載。電流來源不需要防止電流逆流回轉換器或和輸出不匹配。另一方面,電壓調節器天生就不擅長電流分配(Current Sharing)。如果它們都試圖要將輸出電壓調節到某個點,其回饋網路就會有些微差異,調節器可能會收到逆電流。 無論其他驅動器是否供應輸出負載加總的額外電流,LED驅動器都會維持其輸出電流。這使得並聯LED驅動器顯得相當單純。舉例來說,兩個並聯LT3932 LED驅動器組成LED閃光燈系統,如圖1所示,以3安培電流驅動4個LED,10µs的短脈衝伸展至一個長週期,該時間由機器視覺系統定義。每個LT3932轉換器在PWM導通期間供應一半的總啟動電流,並在輸出狀態處於PWM關斷期間關閉電流以節省電力。關斷時間不論是短或長,對於閃光燈波形的重複性都沒有影響。 並聯相機閃光燈的應用也很單純,幾乎和單一轉換器在長時間關斷的狀況一樣。轉換器在最後PWM ON脈衝結束時觀察到共用輸出電壓,並讓輸出電容充電至該狀態,即使在長時間關斷下也保持該狀態。每個轉換器將其PWM MOSFET和共用負載斷開,並讓其輸出電容充電至大約最後電壓狀態,在電容漏電時會輸送電流至電容。這些電容所出現的任何長時間漏電,都會輸以微量的維持電流。當下次PWM導通脈衝啟動時,每個轉換器的PWM MOSFET就會啟動,輸出電容會啟動至大約和最後脈衝相同的狀態,不論是經過10毫秒或一整天。 圖2展示LT3932並聯LED驅動器以驅動4個10µs、3安培的LED,並提供機器視覺相機所需的脈衝。不論是適合機器視覺系統的10ms PWM空閒時間(100Hz)或1秒PWM空閒時間(1Hz),LED脈衝的波型都呈現波形相當接近直角的高速方波。 圖2 不論PWM空閒時間多長,圖1的並聯LED驅動器的3安培相機閃光燈波形看起來都一樣。波形顯示的是一個10µs的脈衝,在經過10ms以及1秒後,波型都一樣。LT3932 LED閃光燈不論在經過一天或更長的PWM空閒時間後,波型看起來也是相同的。 並聯式LED驅動器提升自動化影像處理 並聯LED驅動器不限於兩個轉換器,也可並聯連結三個或更多個轉換器,產生更高電流的銳利邊緣波型。由於這個系統沒有主控或從屬端裝置,所有轉換器都送入相同的電流並分擔相同的負載。建議所有這些並聯LED驅動轉換器使用相同的同步時脈並維持同相(In-Phase),如此可確保當其輸出電容的漣波上,所有轉換器都大概維持同相,如此一來漣波電流就不會回流或傳至不同的轉換器。PWM脈衝波形和2MHz同步時脈維持同相,這點至關重要,因為如此能確保LED閃光燈波形維持方波且沒有抖動,而能產生最佳的影像處理結果。 LT3932展示電路(DC2286A)之設計便是用來透過一個或兩個LED作為降壓LED驅動器,負責驅動1安培的LED電流。它能變更與並聯連結,如圖1所示,以支援更高的電流、更高的電壓或並聯運作。圖3顯示兩個電路如何輕易連結,透過4個LED連結24伏特的輸入電源,驅動10µs的3安培脈衝。為方便測試,我們使用一個脈衝產生器以同步化時脈訊號;在一個上線運行的機器視覺系統,時脈晶片可用來產生經校準的同步與PWM脈衝。更高電流脈衝方面,則可運用相同的並聯方式加入更多展示電路DC2286A轉換器。 圖3 兩個DC2286A LT3932展示電路能輕易並聯,組建成如圖1所示的3安培至4安培的機器視覺LED閃光燈應用。 機器視覺系統可運用並聯式LED驅動器產生快速、方波、高電流的波型,供自動化影像處理所需。LT3932 LED驅動器的專利相機閃光燈技術能連結多個並聯轉換器以延伸至更高的電流。藉由多個並聯LT3932轉換器,即可產生維持數毫秒的3安培以上脈衝,甚至達到更長的空閒時間(Off-Time)。不論兩次LED閃燈之間的空閒時間有多長,LED相機閃光燈的波形都能維持方波以及無抖動的狀態。 (本文作者為ADI LED驅動器應用經理及應用工程師)
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