LED调光

概要

本文围绕 LCD 背光 LED 驱动中的调光问题，系统分析了纯 PWM 调光（PDIM）、模拟调光（ADIM）及混合调光（HDIM）的控制原理与工程特性。通过从Boost 峰值电流控制环路出发，阐明ADIM通过调节误差放大器工作点实现连续电流调光的本质机理，并结合FB注入式与 VREF调整式的实现差异，讨论其优势与局限。最后指出，在高调光比与高视觉品质需求下，混合调光策略已成为兼顾效率、线性度与人眼舒适性的主流选择。

PDIM擅长“极低亮度和线性控制”，ADIM擅长“视觉连续性和低噪声表现”，而HDIM通过亮度分区策略在二者之间取得工程最优解，因此已成为高端显示系统的主流调光方案。

1. Analog Devices, Inc. (2022, February 8). 通过MAX25510和MAX25511实现混合调光. Retrieved January 12, 2026, from Analog.com website: https://www.analog.com/cn/resources/technical-articles/using-hybrid-dimming-with-max25510-and-max25511.html
2. （中文）调光方式：模拟调光 - LED 驱动器基础知识 - TI在线培训手机版. (2023). Retrieved January 12, 2026, from 21ic.com website: https://edu.21ic.com/m/video/4972.html
3. ‌LED驱动IC模拟调光应用 - LED背光控制器调光方式探讨 - 光学设计 - 电子发烧友网. (2023). Retrieved January 12, 2026, from Elecfans.com website: https://www.elecfans.com/led/guangxuesheji/334490_2.html
4. 文中提及的芯片手册

对于LCD屏幕背光，为了亮度均匀，多采用串联LED形式，这通常需要较高的电压来驱动。因此，在一般数字系统中，通常需要将系统电源电压进行Boost升压来驱动LED。因此，一般LCD显示器的背光LED驱动器本质上就是Boost DC-DC电源控制器。
除了要能够升压点亮LED，驱动器还要支持调节LED亮度（业内称为“Dimming”），以改变屏幕显示的亮度。

1. Pure PWM Dimming (LED电流不连续)

显然，最直接的控制方式就是PWM，通过高频、间歇性地点亮LED，使人眼感受到LED亮度发生变化。注意，在这种控制方式下，不论PWM占空比是多少，在那些点亮LED的阶段，LED的亮度其实始终是一致的（或最亮的），只不过这种时间上的亮灭调制在经过背光扩散层、液晶显示层、人眼后，在物理上以及最终视觉感受上被“低通滤波/积分”了，是一种时间平均意义上的调光。我们看到屏幕静静地变暗，非常平静。

这种直接由PWM控制LED亮灭时间比例的调光方式称为(Pure)PWM Dimming（PDIM），其核心特征是LED上的电流不连续。如TI的TPS923650D1，外部输入PWM控制Boost升压的使能/关闭，当PWM为高电平时，Boost开始工作，电感电流上升并稳定至目标值；当PWM低电平时，内部FET保持关断，电感电流为0。

PDIM的优势在于：只要点亮，LED就始终工作在额定工作点，即LED的峰值电流在整个调光范围内保持恒定，因此没有色温的变化，灰阶线性度与一致性极好；在PWM分辨率足够高时，能够实现可控的超低亮度；实现简单，不需要高精度模拟设计。

PDIM的缺点也很明显：LED电流不连续，开关瞬间存在较大的di/dt，存在EMI和磁性器件噪音问题，尤其是在较高亮度状态下；如果使用陶瓷电容（压电效应），且PWM频率较低，可能会在输出端产生较明显的可闻噪声；此外，由于反复开关LED，难免会产生可被人眼/相机感知的低频闪烁，这种问题在OLED显示屏上更显著，这也是为什么手机行业偏爱“DC调光”的原因。OLED屏没有背光，每个像素点主动发光，不存在背光扩散层和液晶显示层来做物理低通，相比LCD背光进入人眼的路径更加直接，更容易导致可感受的频闪问题。这方面话题将在后文继续讨论。

2. Analog Dimming (LED电流连续)

另外一种常见的调光方式是模拟调光，即Analog Dimming（ADIM）。上述PDIM主要关注对LED电流的通断控制，LED目标驱动电流是固定的。而ADIM关注对LED电流大小的控制，是一种连续、模拟的控制方式，始终有电流流过LED，不存在频闪和噪声问题。ADIM（Analog Dimming）的主要实现方式是基于Boost恒流驱动器自身的反馈控制环路，通过改变误差放大器（EA）输入端的等效参考/反馈关系，使EA输出的补偿节点电压VCOMP调整至新的稳态工作点，从而改变允许的电感峰值电流，进而调节平均LED电流，实现连续、无斩波的亮度控制。

简单回顾峰值电流控制模式下Boost拓扑的整个环路，如图所示。整个环路的控制目标是使电流ILED在电阻RSET上形成的电压VFB与参考电压VREF’保持一致，具体方式是（1）VFB与VREF’通过基于误差放大器EA的反馈补偿网络后，生成控制电压VCOMP输入至后级PWM比较器同相端；与此同时，电感电流IL由MOS管低侧电阻RCS采样，随着MOS管周期性开关得到锯齿状的斜坡电压VCS，输入PWM比较器反相端；（2）当VCS超过VCOMP时，PWM比较器输出翻转，触发PWM控制逻辑立即关闭MOS管，停止给电感充能；直到下一个新的PWM周期开始，MOS管再次导通，IL（VCS）重新开始爬升。如此循环，最终使ILED稳定在目标值附近。需要指出的是，流经LED的平均电流ILED等于电感电流IL在MOS管关断期间通过二极管向输出端释放能量的平均值。

显然，这就是所谓的峰值电流控制模式，核心是图中红色所示的“快响应电流环”，电压VCOMP实际意义是“允许电感电流爬到多少”，一旦VCS超过VCOMP就立即关断MOS，这个过程发生在亚PWM周期尺度内，非常快速。从图中还不难看出，该电流环嵌套在一个更外层的慢速控制环中，快变的电感电流IL会在若干PWM周期内影响到ILED，进而改变VFB，并最终调节VCOMP的稳态值，从而形成新的峰值电感电流允许阈值。

因此，ADIM能够通过外部手段调整EA输出的VCOMP，进而调整LED电流。其主要实现方式有两种：（1）改变参考电压VREF’；（2）改变FB电压VFB，即FB注入式；具体采用哪种方式取决于驱动芯片设计。

2.1 调整VREF式

一种理所当然的方式是，芯片可以直接将VREF’作为引脚留给用户自行控制。但这对用户并不友好，需要配置额外的DAC来驱动，增加成本和复杂性。

更常见的做法如图所示，芯片内置固定参考源VREF和半桥驱动，通过外部PWM控制产生幅值为VREF、占空比可调的二级PWM’信号，进一步通过低通滤波得到VREF’。此时外部只需提供常规PWM即可，这种调光方式一般称为PWM to Analog Dimming。

采用这种控制方式的典型芯片有TI的TPS61165、TPS61500、TPS923650，On-Bright的OB3353A，具体可见相应数据手册。

2.2 FB注入式

相比“调整VREF式”光明正大地修改控制环路参考，FB注入式调光属于背后搞小动作，通过改变EA对实际电流的感知来调整VCOMP，具有一定的欺骗性。

这种方式需要在芯片FB引脚增加额外的电阻引入额外偏置，典型如芯片DF6113手册中的图示。DIM电压通过电阻RDIM、RFB、Rout调控VFB，其中Rout是LED电流采样电阻，RFB是FB引脚与 LED取样节点之间的隔离电阻，RDIM则是DIM电压注入FB节点的通道。RDIM与RFB共同决定VDIM对VFB的注入比例。

稳态时，VFB=VREF’；此时如果人为降低VDIM，则会导致VFB降低，低于VREF’，意味着控制环路中EA看到的LED电流是不够的。此时，EA输出VCOMP增大，允许电感电流爬升至更大值，进而使LED电流增加，抬高VFB，建立新的稳态。可以看出，VDIM与LED电流是呈反比例的，因此这种调光方式又称为Inverted Analog Dimming。

相比PWM to Analog Dimming，这种方式有几个工程级优势：（1）不需要芯片本身支持ADIM；（2）不破坏芯片内部控制结构；（3）成本低，只需多两个电阻。相应地不足之处是其调光曲线及一致性受电阻精度影响，且VDIM是直流量，一般需要外部配置额外DAC，或采用同样的PWM+LPF方式产生。

值得一提的是，上述FB注入式调光与海思SOC的SVB动态调压原理一致，如图所示是Hi3519AV100的动态调压配置。CPU根据性能功耗需求产生PWM信号，通过RC滤波后注入至外部DCDC电源控制器的FB引脚，进而调整核心电压。

相比基于 PWM 斩波的数字调光（PDIM），模拟调光（ADIM）通过连续调节 LED 驱动电流幅值实现亮度控制，其最大优势在于调光过程中 LED 始终工作在直流导通状态，不引入低频电流脉冲，因此可有效避免由占空比调制带来的可见闪烁、电磁干扰及拍频伪影，尤其在低亮度、低刷新或对视觉舒适性要求较高的应用场景中更具优势。

然而，ADIM也存在不可忽视的局限性：当调光深度增大时，LED工作电流显著降低（或没有工作在额定电压下），其电光转换效率、正向压降一致性及色点稳定性均可能恶化，同时模拟偏置与器件参数漂移会放大低亮度区的非线性误差，使得极低亮度下的可控性与一致性受限。正因如此，在小米手机的防闪烁模式（DC调光模式）设置界面，有“开启防闪烁模式后，平面局部显示会有偏差”这样的说明。相比之下，PDIM通过保持恒定峰值电流、仅在时间域内调制导通比例，在效率保持与亮度线性方面更具优势，但其固有的脉冲工作方式又难以完全规避闪烁与瞬态干扰问题。

3. Hybrid Dimming 混合调光

基于上述权衡，在某些需要高调光比、高色彩表现的应用场景中，业界逐渐采用混合调光策略（Hybrid Dimming，HDIM），即：（1）在中高亮度区优先采用ADIM以保证视觉连续性与低噪声表现，此时LED电流在最大显示亮度水平和预先设定的电流阈值之间呈线性变化；（2）在低亮度区域，LED电流低于此阈值，切换至PDIM方式，允许控制器在此阈值电流下全范围（0~100%）调整导通占空比以控制亮度。这样，在调光比、光学一致性与人眼舒适性之间能够取得综合最优解。

支持HDIM调光的典型芯片，如ADI的MAX25510、MAX25511，MPS的MPQ3387L等。如MPQ3387L采用的策略是，当输入PWM≥25%时，芯片以模拟调光ADIM方式控制LED电流为ISET×PWM（ISET是通过电阻设置的最大LED电流），这样可以减少电源损耗并抑制噪声；当PWM<25%时，芯片以纯PWM方式控制LED电流，此时LED最大电流被限制在25%×ISET，而输入的PWM占空比被放大4倍，以使得实际的平均LED电流仍然是ISET×PWM。这样一来，不仅能够有效提升低LED电流下的调光比率，由于峰值电流被限制在25%×ISET，也能有效抑制噪声问题。

4. 小结

维度	PDIM	ADIM	HDMI
原理	保持恒定的LED峰值电流，通过PWM斩波改变导通时间比例来调节平均电流	通过平移电流环参考点，来连续改变LED电流幅值	中高亮度区域用ADIM，低亮度区域切换为PDIM
控制作用点	Gate级	EA/FB（电流环的参考）	EA+PWM双路径
被控量本质	FET导通时间	允许的峰值电流幅值	导通时间+峰值电流幅值
LED电流	不连续，阶段性导通	始终导通	视亮度区间而定
低频闪烁风险	高	几乎没有	显著改善
EMI（di/dt）	中高亮度时较大	较小	中等
低亮度线性度/极低亮度可控性	好	差	好
人眼舒适性	取决于PWM频率	最佳	接近最佳
调光响应速度	快	较慢	中等
典型问题	闪烁、EMI	低亮度失真	-
典型应用	指示灯、简单背光	高端显示、护眼模式	高端显示、护眼模式