LED驅動(dòng)電源組合調光方案

另外，為了適應實(shí)際生產(chǎn)和節電的需要，LED通常需要調光。調光電路的實(shí)現，既節省電能，降低了浪費，同時(shí)，避免LED長(cháng)期在超負荷狀態(tài)下工作，提高了LED的運行效率和壽命。本文通過(guò)研究電力電子開(kāi)關(guān)變換器和調光策略，分析設計LED在不同調光方式下的運行狀態(tài)，實(shí)現高效的組合調光策略。

1 Flyback 驅動(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)現多路輸出、提供耐壓保護等優(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 恒流驅動(dòng)電路

LED 由于其陡峭的伏安特性，一般采用恒流驅動(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將電流信號轉換成電壓信號，與給定的Uref-i值進(jìn)行比較，通過(guò)PI調節，經(jīng)過(guò)光耦隔離形成電流誤差信號作為內電流環(huán)的給定，與開(kāi)關(guān)電流進(jìn)行比較，再通過(guò)UC3842 內部比較器形成PWM波，用以控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)斷,當電流參考值恒定時(shí)，電路工作達到穩態(tài)即恒流輸出。通過(guò)調節VR2可以改變Uref-i值，從而達到調光效果。另外，為了防止輸出過(guò)壓，在反饋環(huán)節還加了一個(gè)電壓環(huán)，通過(guò)調整VR1改變輸出限壓值。圖中參考電壓Uref由TL431提供2.5 V的基準電壓。

2 調光策略分析

LED的亮度是隨著(zhù)正向電流IF的變化而呈現近似比例變化的，當改變正向電流平均值時(shí)，相應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)刻連續地調節流過(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是在調光開(kāi)關(guān)管一個(gè)周期Tdim內的導通時(shí)間。這樣，通過(guò)調節調光占空比Ddim和Im，都可以達到調光效果。

根據改變電流方式的不同，其調光電路可相應地分為模擬調光和PWM調光。

2.1 模擬調光

模擬調光方式可分為開(kāi)關(guān)式幅值變化AM調光和線(xiàn)性調光，其電路控制原理圖如圖3。幅值變化調光如圖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(xiàn)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(xiàn)性調光是將工作在放大區的功率管當做動(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)調節電路電流。模擬調光能夠避免調光時(shí)產(chǎn)生的噪聲，無(wú)閃爍現象，而且簡(jiǎn)單方便。但是變換器始終處在連續工作狀態(tài)，系統的損耗比較大;另一方面，模擬調光時(shí)LED的色溫、光效等光學(xué)特性會(huì )隨著(zhù)電流變化而變化，在對色溫等要求嚴格的場(chǎng)合該方式受到限制。

圖3 模擬調光示意圖

2.2 PWM 調光

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

圖4 PWM調光示意圖

圖5 調光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PIC16F877A產(chǎn)生。單片機晶振為4 M，調光頻率fdim設為250 Hz。AD采集后的數據通過(guò)轉換作為占空比的給定值，單片機輸出的PWM波經(jīng)過(guò)TLP250放大后作為驅動(dòng)調光MOS管的PWM信號。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 調光時(shí)的Im即電路的最大電流。在進(jìn)行PWM調光時(shí)，先調整電壓環(huán)和電流環(huán)使得電路的最大工作電流為額定電流Im，對Im進(jìn)行PWM調節，則iLEDS=DdimIm。2.3 組合調光

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

(1)在PWM 調光的基礎上改變Im進(jìn)行混合調光。當調光開(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，輸出部分構成一階零輸入響應。LED 模型UO=Uturn-on+Rled×IO，則等效電路圖如圖6 所示，經(jīng)過(guò)DdimTdim的導通時(shí)間后，輸出電壓為：

設Ddim在0.3~1 范圍內可調，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)調節電流環(huán)已不起作用，通過(guò)連續調節電壓環(huán)強制改變限壓值，從而改變Im以達到調光效果。

(2)第二種調光方案：將LED并聯(lián)兩路，一路用模擬調光，一路用PWM 調光。兩路調光示意圖如圖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)行調光。若兩路帶的負載一樣， 則Io=I1+I2≈(1+D)I1。

圖6 調光開(kāi)光管閉合時(shí)輸出等效電

圖7 兩路調光示意圖

3 實(shí)驗結果

基于上述拓撲的分析，設計了一個(gè)輸入電壓Uin=36~60 VDC，輸出電流Io=0.7 A，輸出電壓Uo=30V左右的調光電路，電路工作頻率為50 kHz，能在30%-100%寬范圍內調光。實(shí)驗的負載采用額定電流為30 mA的小LED 燈8串16并聯(lián)構成，最大電流可達到1 A。

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

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

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

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

圖11 三種調光方式的效率對比曲線(xiàn)

4 結論

本文采用反激變換器電路拓撲，設計了一個(gè)LED驅動(dòng)電源與組合調光電路。分析總結了幾種LED調光方法，通過(guò)實(shí)驗樣機設計、結果分析，該電路實(shí)現了模擬、PWM以及組合調光，調光效率在86%以上，紋波在4%以下，開(kāi)關(guān)管電壓應力在允許范圍之內，能實(shí)現高效可靠的LED照明調光。