LED驅(qū)動(dòng)電源組合調(diào)光設(shè)計(jì)方案

　　照明是與人類生活息息相關(guān)的一個(gè)領(lǐng)域，也是消耗能源的重要方面，約占世界總耗能的20%。LED（Light Emitting Diode）作為新型高效固體光源，由于高效、環(huán)保、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在室內(nèi)外照明、景觀設(shè)計(jì)、指示燈等方面。LED 照明迅速成為最熱門(mén)的第四代電光源之一，已成為未來(lái)照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。

　　另外，為了適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)和節(jié)電的需要，LED通常需要調(diào)光。調(diào)光電路的實(shí)現(xiàn)，既節(jié)省電能，降低了浪費(fèi)，同時(shí)，避免LED長(zhǎng)期在超負(fù)荷狀態(tài)下工作，提高了LED的運(yùn)行效率和壽命。本文通過(guò)研究電力電子開(kāi)關(guān)變換器和調(diào)光策略，分析設(shè)計(jì)LED在不同調(diào)光方式下的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高效的組合調(diào)光策略。

　　1 Flyback 驅(qū)動(dòng)電路分析

　　隔離型反激電路具有所用器件最少、成本低、功率密度大、電氣隔離、易實(shí)現(xiàn)多路輸出、提供耐壓保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，適合150 W以下小功率電源裝置，而LED 照明一般是采用小功率的電源裝置。本文采用反激電路作為主電路，采用UC3842 作為控制芯片。UC3842 是一種固定頻率電流型控制芯片，外圍元件少，振蕩頻率最大可達(dá)500 kHz，控制簡(jiǎn)單，外圍電路也比較成熟。電路原理圖如圖1所示。

　　圖1 Flyback 恒流驅(qū)動(dòng)電路

　　LED 由于其陡峭的伏安特性，一般采用恒流驅(qū)動(dòng)。本文采用雙環(huán)控制恒流輸出。如圖1，通過(guò)電流采樣電阻Rs將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，與給定的Uref-i值進(jìn)行比較，通過(guò)PI調(diào)節(jié)，經(jīng)過(guò)光耦隔離形成電流誤差信號(hào)作為內(nèi)電流環(huán)的給定，與開(kāi)關(guān)電流進(jìn)行比較，再通過(guò)UC3842 內(nèi)部比較器形成PWM波，用以控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)斷，當(dāng)電流參考值恒定時(shí)，電路工作達(dá)到穩(wěn)態(tài)即恒流輸出。通過(guò)調(diào)節(jié)VR2可以改變Uref-i值，從而達(dá)到調(diào)光效果。另外，為了防止輸出過(guò)壓，在反饋環(huán)節(jié)還加了一個(gè)電壓環(huán)，通過(guò)調(diào)整VR1改變輸出限壓值。圖中參考電壓Uref由TL431提供2.5 V的基準(zhǔn)電壓。

　　2 調(diào)光策略分析

　　LED的亮度是隨著正向電流IF的變化而呈現(xiàn)近似比例變化的，當(dāng)改變正向電流平均值時(shí)，相應(yīng)地也能改變光輸出的大小。常見(jiàn)的改變IF大小的有兩種方式，如圖2所示。

　　圖2 改變正向電流的兩種方式

　　在圖2（a）中，通過(guò)在不同時(shí)刻連續(xù)地調(diào)節(jié)流過(guò)LED的電流，來(lái)改變光通量輸出，流過(guò)LED的電流是連續(xù)的；在圖2（b）中，先給定一個(gè)Im值，通過(guò)給定不同的占空比Ddim控制電流，則流過(guò)LED的電流：

　　式中，Ton是在調(diào)光開(kāi)關(guān)管一個(gè)周期Tdim內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間。這樣，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)光占空比Ddim和Im，都可以達(dá)到調(diào)光效果。

　　根據(jù)改變電流方式的不同，其調(diào)光電路可相應(yīng)地分為模擬調(diào)光和PWM調(diào)光。

　　2.1 模擬調(diào)光

　　模擬調(diào)光方式可分為開(kāi)關(guān)式幅值變化AM調(diào)光和線性調(diào)光，其電路控制原理圖如圖3。幅值變化調(diào)光如圖3（a），其一般有兩種方法：

　　① 固定參考電壓Uref-i的大小， 而改變采樣電阻Rs的大小。為減小系統(tǒng)功耗，Rs一般取1 Ω以下，而市場(chǎng)上1 Ω左右的電位器又比較少見(jiàn)； ②電流采樣電阻保持不變，線性改變Uref-i的大小，即電流參考值改變。這樣既可減少電阻上的功耗，又簡(jiǎn)單方便。線性調(diào)光是將工作在放大區(qū)的功率管當(dāng)做動(dòng)態(tài)電阻，如圖3（b）、（c）所示，分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種。此時(shí)主電路工作在恒壓模式，通過(guò)改變Q1的阻值來(lái)調(diào)節(jié)電路電流。模擬調(diào)光能夠避免調(diào)光時(shí)產(chǎn)生的噪聲，無(wú)閃爍現(xiàn)象，而且簡(jiǎn)單方便。但是變換器始終處在連續(xù)工作狀態(tài)，系統(tǒng)的損耗比較大；另一方面，模擬調(diào)光時(shí)LED的色溫、光效等光學(xué)特性會(huì)隨著電流變化而變化，在對(duì)色溫等要求嚴(yán)格的場(chǎng)合該方式受到限制。

　　圖3 模擬調(diào)光示意圖

　　2.2 PWM 調(diào)光

　　PWM調(diào)光能夠精確地控制流過(guò)LED的電流，調(diào)光范圍更寬，色溫不會(huì)發(fā)生漂移，而且LED驅(qū)動(dòng)器的效率高，缺點(diǎn)是調(diào)光時(shí)容易產(chǎn)生噪聲。PWM調(diào)光頻率一般在200 Hz 以上，以避免產(chǎn)生LED閃爍等情況。調(diào)光方案如圖4，在輸出負(fù)載串接一開(kāi)關(guān)管，通過(guò)單片機(jī)輸出PWM脈沖反復(fù)地接通和斷開(kāi)LED電流來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)光亮度。

　　圖4 PWM調(diào)光示意圖

　　圖5 調(diào)光PWM產(chǎn)生電路原理圖

　　PWM模塊由Microchip公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)PIC16F877A產(chǎn)生。單片機(jī)晶振為4 M，調(diào)光頻率fdim設(shè)為250 Hz。AD采集后的數(shù)據(jù)通過(guò)轉(zhuǎn)換作為占空比的給定值，單片機(jī)輸出的PWM波經(jīng)過(guò)TLP250放大后作為驅(qū)動(dòng)調(diào)光MOS管的PWM信號(hào)。電路原理圖如圖5。

　　由于反激電路不能工作在空載狀態(tài)，當(dāng)空載即輸出電流為0 時(shí)輸出電壓會(huì)很快竄到限壓值，所以進(jìn)行PWM 調(diào)光時(shí)的Im即電路的最大電流。在進(jìn)行PWM調(diào)光時(shí)，先調(diào)整電壓環(huán)和電流環(huán)使得電路的最大工作電流為額定電流Im，對(duì)Im進(jìn)行PWM調(diào)節(jié)，則iLEDS=DdimIm。

　　2.3 組合調(diào)光

　　將模擬調(diào)光和PWM調(diào)光結(jié)合起來(lái)，相互彌補(bǔ)不足，在既需要模擬調(diào)光也要求PWM調(diào)光的場(chǎng)合尤為適用。根據(jù)電路特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用，提出了結(jié)合兩種調(diào)光方式的調(diào)光方案。

　?。?）在PWM 調(diào)光的基礎(chǔ)上改變Im進(jìn)行混合調(diào)光。當(dāng)調(diào)光開(kāi)關(guān)管Sdim斷開(kāi)時(shí)輸出電壓為限壓值Uo-set，則在Sdim的開(kāi)通時(shí)間內(nèi)，輸出部分構(gòu)成一階零輸入響應(yīng)。LED 模型UO=Uturn-on+Rled×IO，則等效電路圖如圖6 所示，經(jīng)過(guò)DdimTdim的導(dǎo)通時(shí)間后，輸出電壓為：

　　設(shè)Ddim在0.3~1 范圍內(nèi)可調(diào)，Uo-set取30 V，Uturn-on取25 V，fdim取250 Hz，輸出電容取2000 μF，Rled為7 Ω，則Uo﹥29 V。所以在Sdim開(kāi)通時(shí)刻，Uo基本保持限壓值不變，電流為該限值下的最大值Im。此時(shí)調(diào)節(jié)電流環(huán)已不起作用，通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)電壓環(huán)強(qiáng)制改變限壓值，從而改變Im以達(dá)到調(diào)光效果。

　　（2）第二種調(diào)光方案：將LED并聯(lián)兩路，一路用模擬調(diào)光，一路用PWM 調(diào)光。兩路調(diào)光示意圖如圖7 所示。Ⅰ路和Ⅱ路的輸出電壓都為Uo，則Ⅰ路通過(guò)模擬方式進(jìn)行調(diào)光；Ⅱ路的Im即在電壓Uo下的電流值，通過(guò)改變占空比改變流過(guò)Ⅱ路的電流，進(jìn)行調(diào)光。若兩路帶的負(fù)載一樣， 則Io=I1+I2≈（1+D）I1。

　　圖6 調(diào)光開(kāi)光管閉合時(shí)輸出等效電

　　圖7 兩路調(diào)光示意圖

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　基于上述拓?fù)涞姆治?，設(shè)計(jì)了一個(gè)輸入電壓Uin=36~60 VDC，輸出電流Io=0.7 A，輸出電壓Uo=30V左右的調(diào)光電路，電路工作頻率為50 kHz，能在30%-100%寬范圍內(nèi)調(diào)光。實(shí)驗(yàn)的負(fù)載采用額定電流為30 mA的小LED 燈8串16并聯(lián)構(gòu)成，最大電流可達(dá)到1 A。

　　圖8 給出了恒流輸出和紋波波形，圖9和圖10分別是模擬調(diào)光和PWM 調(diào)光時(shí)的驅(qū)動(dòng)波形。圖11是三種方式的效率曲線，由圖11可知，在一定輸出電流范圍內(nèi)，PWM調(diào)光的效率最高，模擬調(diào)光次之，組合調(diào)光效率有所降低，但都能保持在85%以上。

　　圖8 當(dāng)Uin=48 V，Io=0.45 A恒流輸出時(shí)輸出電流及其紋波

　　圖9 當(dāng)Uin=48 V，Io=0.45 A模擬調(diào)光時(shí)主開(kāi)關(guān)管Uds和Ugs波形

　　圖10 當(dāng)Uin=48 V，Io=0.45 A PWM調(diào)光時(shí)主開(kāi)關(guān)管和調(diào)光開(kāi)關(guān)管Ugs波形

　　圖11 三種調(diào)光方式的效率對(duì)比曲線

　　4 結(jié)論

　　本文采用反激變換器電路拓?fù)?，設(shè)計(jì)了一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電源與組合調(diào)光電路。分析總結(jié)了幾種LED調(diào)光方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)、結(jié)果分析，該電路實(shí)現(xiàn)了模擬、PWM以及組合調(diào)光，調(diào)光效率在86%以上，紋波在4%以下，開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力在允許范圍之內(nèi)，能實(shí)現(xiàn)高效可靠的LED照明調(diào)光。