基于MAX168O1/168O2的LED照明驅動(dòng)的設計

　　O 引言

　　LED作為一種出現時(shí)間最晚的照明技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)不僅體現在發(fā)光質(zhì)量方面，在生產(chǎn)、制造、易用性方面都要大大超越白熾燈、熒光燈等傳統光源。受到熒光燈發(fā)光原理的啟發(fā)，LED生產(chǎn)商通過(guò)在高亮度藍光LED管芯上加一層熒光粉，用藍光激發(fā)熒光粉發(fā)出白光。此外，通過(guò)采用不同的熒光粉，可發(fā)出色溫為4500～10000K及色溫為2850～3800K的多種白光LED，白光LED的發(fā)光效率大都已超過(guò)301m／W，某些產(chǎn)品已超過(guò)50lm／W的水平，具備了正式大規模實(shí)用化的基礎。RGB三色LED合成白光綜合性能好，在高顯色指數下，流明效率有可能高到2001m／w，要解決的主要技術(shù)難題是提高綠光LED的電光轉換效率，目前其只有13％左右。對于LED激發(fā)熒光粉發(fā)光而言，三基色混光可以避免前者光譜分布不連續，顯色性不好等缺點(diǎn)，同時(shí)三基色混光的人眼舒適度可大大提高，由三基色PWM調制后可以根據需要在同一光源實(shí)現多色和全彩色照明。

　　1 設計理念及方案

　　設計大功率半導體驅動(dòng)，首先要從發(fā)光芯片選擇及光源實(shí)現；驅動(dòng)電路設計，二次光學(xué)設計；設備封裝三個(gè)方面考慮。

　　在LED照明中，有單色LED激發(fā)熒光粉發(fā)光的成功設計案例，但考慮到這種方案出光難以實(shí)現全光譜、高顯色，在本次設計中采用RGB三基色混光光源，及對紅綠藍三種單色LED芯片單獨驅動(dòng)，分別發(fā)光實(shí)現光源的完成。為了滿(mǎn)足大功率輸出下的照度穩定，要實(shí)現對LED溫度衰減的補償，同時(shí)也要對啟動(dòng)時(shí)的浪涌脈沖和電流的不穩定波動(dòng)做出補償。在二次光學(xué)設計時(shí)主要考慮三基色混光，在積分球混光和光纖耦合的對比中選擇光纖耦合，將三色芯片的出光通過(guò)光纖耦合混光后輸出。

　　2 LED光學(xué)特性及電氣特性

　　對于超高亮LED的特性，當正向電壓超過(guò)某個(gè)閾值(約2V)，即通常所說(shuō)的導通電壓之后，可近似認為，IF與VF成正比。當前超高亮LED的最高IF可達1A，而VF通常為2～4V。由于LED的光特性通常都描述為電流的函數，而不是電壓的函數，采用恒流源驅動(dòng)可以更好地控制亮度。此外，LED的正向壓降變化范圍比較大(最大可達lV以上)，VF的微小變化會(huì )引起較大的IF變化，從而引起亮度的較大變化。所以，采用恒壓源驅動(dòng)不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驅動(dòng)。LED的光通量與溫度成反比，85℃時(shí)的光通量是25℃時(shí)的一半，而-40℃時(shí)的光輸出是25℃時(shí)的1．8倍。溫度的變化對LED的波長(cháng)也有一定的影響，因此，良好的散熱是LED保持恒定亮度的保證。

　　3 混光方案

　　三基色加性混光是指光的三原色混合可以得到白色光源和灰度光。對于LED，根據國際照明委員會(huì )CIE發(fā)布的色度圖知道，光的色彩與三基色R、G、B的比例有關(guān)，并且有r(λ)+g(λ)+b(λ)=1。LED取RGB合成白光這種辦法的主要問(wèn)題是綠光的轉換效率低，現在紅綠藍LED轉換效率分別達到30％、10％和25％，由于合成白光所要求的色溫和顯色指數不同，對合成白光的各色LED流明效率也有不同。當對三個(gè)發(fā)光芯片提供不同比例的脈寬電流時(shí)，可以輸出不同灰度的照明光源，如果對于混光比例實(shí)現多級的灰度計算，即可接近全彩色調光。為了提高混光效率，常用的方案有積分球混光、混光棒混光。為了減小器件封裝體積，本方案運用光纖耦合混光，即使三芯片發(fā)出的光經(jīng)過(guò)凸透鏡注入位于焦點(diǎn)處的光纖，并在光纖中進(jìn)行混光，混光通過(guò)光纖出送至凹透鏡輸出。

　　4 驅動(dòng)電路設計

　　整個(gè)電路分三部分：a．開(kāi)關(guān)電源，實(shí)現市電向低壓恒流LED適應電流的轉換；b．PWM調制電路，實(shí)現對LED出光效率的控制；c．控制電路，實(shí)現對開(kāi)關(guān)電源和PWM的連接和控制，實(shí)現混光后對出光灰度的控制。

　　4．1 基于MAXl6801／16802的AC／DC開(kāi)關(guān)電源

　　高亮度(HB)LED驅動(dòng)器控制集成芯片MAXl680l／16802基本滿(mǎn)足了實(shí)際LED驅動(dòng)器關(guān)鍵電路的要求，可用于高亮度照明和顯示應用，可進(jìn)行85～265V的AC整流電壓輸入，需要精度調節LED電流時(shí)，可利用片上的誤差放大器以及精度為1％的基準。通過(guò)片內PWM亮度調節也可以實(shí)現較寬的亮度調節范圍。

　　MAXl6801／16802內部功能如圖1所示。

　　單個(gè)LED芯片的驅動(dòng)電路如圖2所示。

　　對于電路各個(gè)端口之間功能的描述：

　　UVLO／EN：外部可編程欠電壓鎖定。UVLO設置輸入啟動(dòng)電壓。將UVLO連接至GND可禁止器件工作。DIM／FB：低頻PWM亮度調節輸入／誤差放大反向輸入端。COMP：誤差放大器輸出。在高亮度LED電流調節應用中，將補償元件連接在DIM／FB和COMP之間。

　　CS：電流感應信號連接端，用于電流調節。戒指檢流電阻高端?？梢运C濾波器除去前沿上的毛刺。GND：功率地。NDRV：外部N溝道MO-SET柵極連接端。Vcc：柵極驅動(dòng)電源。內部由IN降壓得到。Vcc與GND之間接一只10nF以上的去耦電容器。IN：IC電源。IN與GND之間接一只10nFt以上的去耦電容器。自舉工作模式下MAXl6801，可以在輸入電源和IN之間接一個(gè)啟動(dòng)電阻。偏置繞組電源連接至該點(diǎn)。對于MAXl6802，IN直接接+10．8～+24V電源。

　　4．2 單一LED芯片的PWM控制電路

　　由于紅綠藍三種LED的電光轉換效率不一致，并且在混光時(shí)對于紅綠藍三基色的配比不同，故要對三色芯片單獨調制。調制芯片選NCP-1200，該芯片是安森美半導體公司(ON Semiconductor)推出的一款電流型PWM控制器。其應用電路只需要使用很少的外圍元件，使設計更加緊湊。另外，芯片內集成輸出短路的保護電路，使成本可進(jìn)一步降低。模塊中有兩種反饋類(lèi)型：第一種是輸出電壓反饋，輸出電壓采樣值VSS和單片機提供的設定值進(jìn)行比較，通過(guò)光耦來(lái)控制NCPl200芯片陽(yáng)腳的電壓，調整DRV腳輸出PWM的脈寬來(lái)控制場(chǎng)效應管的導通和關(guān)斷時(shí)間，從而達到調整輸出電壓值的目的。另一路反饋是電流限流反饋，當采樣到的輸出電流值ISS超過(guò)單片機提供的最大限流值IPWM后，比較器輸出正電壓使得光耦最大導通，將FB腳電壓拉低，使得NCPl200輸出PWM脈寬減小，從而達到限流的目的。當輸出電流小于單片機提供的限流值時(shí)，限流反饋不起作用。

　　單色控制電路框圖如圖3所示。

　　4．3 實(shí)時(shí)控制三基色電路

　　在對NCPl200的控制中，使用ATmega8515單片機。ATmega8515的輸入端為用戶(hù)設置和溫度反饋及光強反饋，輸出端是對NCPl200中PWM調制脈寬的控制信息。

　　在A(yíng)Tmega8515的I／O口可通過(guò)鍵盤(pán)、撥號開(kāi)關(guān)實(shí)現多控制信號設置。也可以依照計算好的三色混光比例與三芯片PWM表將全彩色的各種脈寬配比編程輸入單片實(shí)現快速變色。

　　4．4 總體框架

　　為了保證LED由于發(fā)熱引起的光強衰減得到補償，在輸出端加上了溫度反饋及光強反饋，用于修正發(fā)熱引起的光衰減?？傮w結構如圖4所示。

　　5 結束語(yǔ)

　　為了實(shí)現大功率全彩色的LED照明，設計了以MAXl6801／16802為核心的開(kāi)光電源供電，通過(guò)PWM調節分別對紅綠藍三基色芯片供電的RG-BLED照明驅動(dòng)設計方案。此設計考慮了LEDI芯片在工作中隨溫度上升而產(chǎn)生發(fā)光衰減、輸出波長(cháng)漂移、流明衰減等實(shí)際問(wèn)題，并作出相應的補償。實(shí)現了一定程度上的灰度調節。在以ATmega8515單片機為核心的控制系統下，利用溫度傳感器和光電傳感器作為反饋信息源，實(shí)現了自適應控制。實(shí)驗證明此驅動(dòng)電路運行良好，可實(shí)現一定程度上的多色照明，運用于戶(hù)外照明和景觀(guān)照明。