SIMO LED Driver高解析度舞台燈解決方案 SIMO(single inductor multiple output) for high resolution stage lamp LED driver solution
近年來各類電子產品常被要求縮小體積、節能、低價及高性能等等。因此隨著LED基本特性的改良，體積小、高發光效率、低溫及節能的特性，使得LED快速地成為各類照明設備的第一選擇。本文將以舞台燈應用為例，介紹SIMO架構的優點。
舞台燈應用場合對於光的表現要求非常高，例如高解析度，高調光線性度，高演色性及優秀的混光效果，因此舞台燈常用到RGBW四總顏色的LED。此原因導致舞台燈裡的LED Driver數量極多，也因此舞台燈的製造商在LED Driver的體積挑選上非常要求。傳統上LED driver如追求體積小，一般會選擇遲滯架構。遲滯型Buck控制方式簡易，因此僅需要五個零件即可，如下圖一所示。
圖一、遲滯buck架構示意圖
但此類IC在舞台燈應用仍有以下三個不足的地方，一、Driver Board總數過多，二、調光線性度不佳、三、調光解析度不足。
首先我們來討論Driver Board總數過多的問題，前面提到舞台燈會使用到RGBW四種顏色，假設今天的舞台燈有八組RGBW，那麼意味著此舞台燈需要用到32個Driver Board，因此即便是一片Driver Board僅需要五個零件的情況，也很難放置在一個燈具裡面。當然也有部分的舞台燈採用的是RGBW各自串聯，如此一來僅需要四組Driver Board即可，但如此一來就無法做到每個LED各自調光的效果，功能與價格的取捨全憑產品定位在此就不多加討論。
接著討論線性度不足的問題，遲滯Buck IC通常會有一個DIM pin用作於PDIM調光，當然有的IC的DIM pin也支援ADIM功能，但ADIM會有色偏問題，因此後面就不多加解釋ADIM的部分。
為何會說遲滯Buck PDIM線性度不足呢? 遲滯型Buck控制LED電流方式一般為控制在兩個區間之內，以下圖二為例子，假設T1-T2時間遠大於T0-T1+T2-T3，則ILED≒(ILED_H + ILED_L)/2。 如果PDIM波形為T4-T6則ILED ≠(ILED_H + ILED_L)/2，而舞台燈一般要求的解析度為1:1000，這意味著什麼呢? 假設今天Driver Board工作頻率為200KHz，PDIM=1KHz 。當DPWM為最小單位時，DPWM_min= 1msec/1000=1uSec，工作頻率200KHz，一個cycle為5uSec。以下圖二為例，情況會近似T7-T8的狀況，ILED平均值會遠低於期望的數值，此現象即為調光線性度不佳的狀況。
最後討論何謂調光解析度不足的問題，目前常見的調光解析度定義方式為將PDIM調至最小寬度且LED開始發亮定義為最小時間單位去除以PDIM的時間，舉例假設今天PDIM=1Sec，LED即可發亮，且PDIM=1KHz, 則意味著調光解析度為1uSec/1mSec=0.1%或稱Dimming Resolution約10Bit。
圖二、遲滯buck調光示意圖
接著我們來介紹SIMO架構如何解決以上兩個問題。首先下圖三為SIMO的應用線路圖，由下圖我們可以得知此為一個BUCK加上四組Shunt Mosfet搭配RGBW 串聯的應用電路。如圖三所示，一組Driver Board可以同時控制RGBW四個顏色，因此假設如上述所提到的應用LED Driver Board的數量可以縮減至原本的1/4，可大大改善Driver Board總體積問題以及總成本問題。
圖三、SIMO應用線路圖
接著討論調光線性度不佳的問題，SIMO調光示意圖如下圖四。從圖中可以看出由於SIMO架構調光時並沒有傳統遲滯buck電感電流會下降至零的問題，因此即使調光寬度小至一個switch cycle時，LED電流依然可以達到預期的效果，舉例:假設PDIM=1KHz，此時Fsw=500KHz, 一個switching cycle=2uSec，意味著，即使系統調光至0.2%，調光電流都不會有任何線性度不足的問題。
最後討論到調光解析度不足的問題，上述以提到SIMO架構電感電流並不會出現零電流的狀態，因此僅需要在IC設計上改善DIMR~DIMW最小訊號寬度，如此一來即可有效改善調光解析度問題。
圖四、SIMO調光示意圖
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