LED照明用恒流電源的最佳方案選擇

　　推薦一、方案比較與選擇

　　1 電路拓撲結構方案

　　方案一：采用反激式拓撲結構的功率因數校正電路，優(yōu)點(diǎn)是將功率因數校正與電源變換器合二為一，可以大大減少電路的損耗，提高電路的整體效率，缺點(diǎn)是應用在反激式電路的有源功率因數校正控制芯片種類(lèi)較少，且電路比較復雜，很難設計與單片機合適的接口電路，不容易使用單片機進(jìn)行控制。

　　方案二：將功率因數校正電路與主控電路分開(kāi)，采用Boost 型的功率因數校正電路后接電源變換器的方案，優(yōu)點(diǎn)是電路結構簡(jiǎn)單，并不涉及單片機對功率因數校正電路的控制，只需使功率因數校正部分輸出一個(gè)穩定的電壓即可，缺點(diǎn)是會(huì )一定程度上降低設計的整體效率。

　　鑒于本題要求步進(jìn)調壓的功能，需要單片機對PWM控制芯片有一個(gè)良好而穩定的控制，故選擇方案二。

　　2 電源變換器方案

　　方案一：采用半橋變換電路，優(yōu)點(diǎn)是高頻變壓器利用率高，傳輸功率大，電路效率很高，缺點(diǎn)是電路較復雜，且有直通危險。

　　方案二：采用單端反激變換電路，優(yōu)點(diǎn)是電路結構簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是高頻變壓器利用率低，需要留有氣隙，電路效率不高。

　　鑒于本題要求最大負載只有10 個(gè)1W 的LED，傳輸功率較小，故采用方案二，即反激式電路拓撲結構。

　　3 閉環(huán)反饋控制方案

　　方案一：采用軟件閉環(huán)反饋控制，即使用單片機進(jìn)行各參數的采樣，然后直接由單片機對PWM控制芯片進(jìn)行控制，調節占空比。優(yōu)點(diǎn)是電路結構簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是反饋回路會(huì )受到采樣精度、采樣速度、單片機運算速度等因素的影響，使反饋系統變得不穩定。

　　方案二：采用硬件閉環(huán)反饋控制，即使用硬件電路構建反饋電路，由PWM控制芯片自身根據反饋信號調節占空比，而單片機對PWM控制芯片只是進(jìn)行輔助調整。優(yōu)點(diǎn)是反饋速度快，調節精度高，缺點(diǎn)是易受外部干擾。

　　4 有源功率因數校正方案

　　方案一：采用UC3854作為有源功率因數校正電路的主控芯片。優(yōu)點(diǎn)是功率因數校正系數可達99.5%，缺點(diǎn)是外圍電路非常復雜且調試困難。

方案二：采用MC33260作為有源功率有源功率因數校正電路的主控芯片。優(yōu)點(diǎn)是外圍電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是功率因數校正率與UC3854相比略低。

　　220VAC經(jīng)工頻變壓器降壓為36VAC，經(jīng)開(kāi)機沖擊電流抑制電路輸入到功率因數校正電路中，再經(jīng)高頻隔離變壓器給串聯(lián)在一起的LED燈供電，在LED燈處分別進(jìn)行電壓、電流采樣，返回給PWM控制芯片和單片機，由單片機給定基準電壓來(lái)控制PWM控制芯片，進(jìn)而達到控制LED燈恒流可調的目的。

　　系統總體結構框圖如圖1所示。

　　圖1 系統總體框圖

　　二、電路與程序設計

　　1 電源變換器主回路與器件選擇

　　PWM 控制芯片采用SG3525。SG3525 的主要特點(diǎn)是：輸出級采用推挽輸出，雙通道輸出，占空比0 - 50%可調。每一通道的驅動(dòng)電流最大值可達200mA，灌拉電流峰值可達500mA。

　　SG3525 的1、2 引腳分別為內部誤差放大器的反相輸入端和同相輸入端，反相輸入端接收反饋的電壓信號，同相輸入端為給定的電壓基準，一般接在16 引腳電壓基準的分壓上，由于題目要求恒流輸出時(shí)電流步進(jìn)可調，故同相輸入端接單片機DAC 模塊產(chǎn)生的參考電壓。

　　負載的電流采樣由串聯(lián)在LED 負載與地之間的采樣電阻完成，經(jīng)一級跟隨、一級同相放大之后分別給單片機和PWM控制芯片；電壓采樣由負載和電流采樣電阻上的電壓分壓完成，經(jīng)一級跟隨分別給單片機和PWM 控制芯片。為完成恒壓與恒流模式的切換，分別在電壓采樣回路與電流采樣回路與PWM 控制芯片間各加入一個(gè)N 溝道MOSFET 作為電子開(kāi)關(guān)，完成切換。為保證反饋的穩定性在MOSFET 后再加一級跟隨后將反饋信號傳遞給PWM 控制芯片。

　　圖2 PWM 控制模塊

　　2 控制電路與控制程序設計

　　由于本設計的控制部分并不需要很大的計算量，對計算速度的要求也不是很高，但需要ADC 與DAC 模塊進(jìn)行電壓與電流的采樣和對PWM 控制芯片的控制，因此選用C8051F020單片機作為核心處理芯片，它擁有高速8051 微控制器內核，8 個(gè)12 位ADC和2 個(gè)12 位DAC，完全可以滿(mǎn)足設計的需求。

　　由于本LED 恒流電源工作時(shí)絕大部分時(shí)間處于穩定狀態(tài)，且對反應速度沒(méi)有過(guò)快要求，因此并不需要對電壓、電流信號進(jìn)行同時(shí)的采樣，而可以分別采樣，模式切換和基準電壓的調整也不需在中斷服務(wù)中完成，只有步進(jìn)調整電流的按鍵程序需要在中斷服務(wù)中完成。

　　3 保護電路設計

　　過(guò)壓保護電路并不是單獨設計的，而是整合在電流控制電路中，由恒流控制回路與恒壓控制回路的切換完成，當單片機檢測到負載上的電壓高于36V 時(shí)，單片機控制將恒流控制回路切換為恒壓控制回路，將負載的電壓控制在略高于36V，當再次檢測到負載電流降低到設定的電流以下時(shí)，重新將恒壓模式切換為恒流模式，達到過(guò)壓保護的目的。

　　圖3 控制程序流程圖

　　4 功率因數校正電路設計

　　選用小功率功率因數校正芯片MC33260，它工作在電流臨界模式。MC33260應用簡(jiǎn)單可靠。通過(guò)電流檢測和電壓反饋，通過(guò)PI調節來(lái)保持電壓恒定。通過(guò)對開(kāi)關(guān)管的PWM控制來(lái)得到所需要電壓?？蓪?shí)現0.998的功率因數校正和輸出穩定直流電壓的功能。

　　圖4 功率因數校正模塊

　　5 自動(dòng)調光電路設計，開(kāi)機沖擊電路與EMI抑制電路設計

　　自動(dòng)調壓電路采用光敏電阻作為感光元件，利用比較強將光的強弱轉換為高低電平信號，使用單片機內置的ADC將這個(gè)電壓信號采回單片機，當光照強度較高時(shí)，單片機控制切換為恒流模式，設置的負載電流值為100mA，使LED的亮度隨光照強度的增大而減少。

　　開(kāi)機沖擊電路采用熱敏電阻串聯(lián)在電源輸入端，溫度較低時(shí)電阻很大，隨著(zhù)電阻發(fā)熱溫度升高，電阻逐漸變小，達到抑制開(kāi)關(guān)沖擊電流過(guò)大的目的。

　　EMI抑制電路是利用電感和電容的特性，使平率為50Hz左右的交流電可以順利通過(guò)濾波器，但高于50Hz以上的高頻干擾雜波被濾波器濾除，這就使開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的高頻諧波被濾掉而不會(huì )污染電網(wǎng)。

　　圖5 開(kāi)機沖擊電流和EMI抑制模塊

　　三、理論分析與計算

　　1 恒流控制方法和參數計算

　　將一個(gè)電阻值較小的采樣電阻串聯(lián)在LED負載與低之間，設流過(guò)LED的電流為I，則采樣電阻兩端的電壓：

　　其中R0為采樣電阻的電阻值，取R0=Ω。一級跟隨之后電壓不變，后為一級同相放大電路，放大倍數為：

　　后為一級跟隨，電壓不變，因此返回PWM控制芯片的電壓為：

　　單片機通過(guò)DAC給PWM控制芯片一個(gè)參考的基準電壓UREF，經(jīng)過(guò)PWM控制芯片的調節占空比來(lái)調節副邊繞組的電壓進(jìn)而實(shí)現調節負載電流。經(jīng)過(guò)閉環(huán)負反饋的調節作用，使U0=UREF，此時(shí)流過(guò)負載的電流值為：

　　只要時(shí)單片機DAC模塊的輸出電壓根據上面的式子調整，就會(huì )使負載工作在某一個(gè)需要的恒定電流值上。

　　2 隔離變壓器的設計計算

　　功率因數校正電路輸出的電壓為55V，要求負載為10只串聯(lián)的LED燈，實(shí)測正常工作時(shí)的電壓為34V左右，可得變壓器的變比約為：

　　由于PWM控制芯片輸出占空比范圍為0%~50%，因此實(shí)際取原邊45匝，副邊56匝，變比為1.24。

　　3 提高效率的方法

　　選擇合適的主回路拓撲，使用盡可能少的元器件，降低開(kāi)關(guān)頻率；主電路選擇導通損耗小的開(kāi)關(guān)器件；測量及控制電路在設計時(shí)盡可能使用工作電壓低的元器件；控制電路盡可能使用數字方法實(shí)現等都可以有效地提高系統的效率。

　　4 濾波參數計算

　　反激式電壓變換器需要輸出的為直流量，因此盡量應濾掉所有諧波，使用 LC 無(wú)源低通濾波電路即可滿(mǎn)足要求，反激式變換器的開(kāi)關(guān)頻率為32kHz，設計濾波器的截止頻率應低于32KHz，即：

　　由于該系統為恒流系統，應取較大的L 值，并適當減小C 的值，據此設定L、C 值。選用470μF 的電解電容，根據計算得出電感值約為0.78mH，采用自制的工字型濾波電感。

　　四、測試方案與測試結果

　　1 測試儀器與設備

　?。?）工頻變壓器

　?。?）四位半數字萬(wàn)用表DT9203

　?。?）安捷倫示波器DSO5012A

　　2 測試數據

　?。?）輸出電流跟蹤測試：

　　表1 輸出電流顯示跟蹤測試

　?。?）電壓調整率測試（設定電流為150mA）：

　　表2 電壓調整率測試

　　從32V~40V 時(shí)電流變化范圍是149mA~150mA 調整率為0.6%。電壓調整率Su≤1%。達到要求：

　?。?）負載調整率測試

　　輸入電壓為36.23V，設定電流為300mA，負載從5 個(gè)LED 到10 個(gè)LED 時(shí)輸出電流波動(dòng)范圍是209mA~300mA。調整率為0.4%。負載調整率SL≤1%達到要求。

　　表3 負載調整率測試

　?。?）效率測試

　　U2=36V、負載為10個(gè)LED、I0=300mA。

　　表4 效率η參數測試

　?。?）功率因數測試

　　測得功率因數為0.998，達到要求。

　　圖6 功率因數校正波形