大熱的LED驅動(dòng)設計，簡(jiǎn)化系統，輕松實(shí)現

三、系統設計

1、電壓環(huán)路的設計

從圖一我們可以看見(jiàn)，從輸出采樣的ADC產(chǎn)生了一個(gè)通過(guò)電壓環(huán)路補償器的電壓誤差信號ev[n],電壓補償器同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)控制信號u[n],它和輸入端采樣進(jìn)行的半周期的電壓正弦信號Vg（t）進(jìn)行相乘，為電流環(huán)路的補償產(chǎn)生一個(gè)參考電流。

電壓控制環(huán)路應用簡(jiǎn)單，響應速度很快，它由一個(gè)基于PI的一個(gè)補償器和一個(gè)Windowed ADC組成。其輸入輸出特性見(jiàn)圖2，e[n]圍繞著(zhù)Vref電壓波動(dòng)，當輸出電壓小于設定的電壓時(shí)，e[n]為正，通過(guò)電壓補償器，乘法器等調節輸出占空比。同樣當輸出電壓大于設定電壓時(shí)，可以通過(guò)調節占空比將輸出電壓降低，達到了穩定輸出電壓及電流的功能。同時(shí)為了得到更好的動(dòng)態(tài)響應，△VQ|e=0比其他的值大，為輸出確定一個(gè)可以接受的輸出紋波，當振蕩超出其范圍的時(shí)候，e[n]就會(huì )其作用穩定輸出電壓。

圖2 Delay-line based windowed ADC

圖3為ADC的結構框圖，它由兩個(gè)延遲線(xiàn)，一個(gè)快速存儲器和一個(gè)誤差解碼器組成。傳輸延遲單元由D觸發(fā)器組成，延遲時(shí)間的大小由其供電電壓決定。第一個(gè)延遲線(xiàn)有N+1個(gè)單元，其傳輸時(shí)間由Vref決定。另一個(gè)有N+M個(gè)單元，它的延遲時(shí)間和輸出PFC電壓成反比。以此來(lái)實(shí)現穩定輸出電壓和電流的功能。

圖3 Windowed ADC

2、電流環(huán)路的設計

此電路環(huán)路主要是實(shí)現PFC的功能，同時(shí)對輸出電壓和電流的穩定進(jìn)行調節。輸入電壓被采樣以后和輸出電壓的反饋信號u[n]進(jìn)行相乘，生成信號被傳送到另外一個(gè)Windowed ADC中作為基準，同時(shí)這個(gè)Windowed ADC用來(lái)采樣輸入電流的大小，采樣進(jìn)來(lái)的值和基準進(jìn)行比較，然后生成ei[n]信號進(jìn)入電流環(huán)路補償器，來(lái)產(chǎn)生一個(gè)d[n]到DPWM（digital-pulse width modulator），然后控制輸出的MOSFET管，形成一個(gè)回路來(lái)使電流跟隨電壓波形和對輸出電壓和電流起穩定作用。

3、系統設計

整個(gè)系統中，我們從對交流電整流后，在switching converter這個(gè)模塊里面，我們采用反激式的開(kāi)關(guān)電源拓撲模式，可以使輸出達到想要的電壓或者電流值，低電壓的輸出對LED的可靠工作是一個(gè)很好的保證。反激式電路拓撲由于具有使用元件少、本身固有的效率比較高的特點(diǎn)，在功率比較低的場(chǎng)合很受歡迎。然后由FPGA進(jìn)行控制MOSFET的占空比，配合變壓器進(jìn)行PFC同時(shí)得到一個(gè)恒流輸出以驅動(dòng)大功率白光LED。為達到較高的安全性，交流輸入和直流輸出采用光偶進(jìn)行隔離。

4、變壓器設計

磁性元件的設計對性能非常關(guān)鍵。首先根據相應的場(chǎng)合和工作頻率選擇磁芯材料，我們選擇鐵氧體作為磁芯材料，因為鐵氧體的磁感應強度比較大，較小的磁芯就可以提供較大的功率，同時(shí)也要滿(mǎn)足國際電工委員會(huì )（IEC）制定的標準。

然后是確定磁芯的尺寸，以滿(mǎn)足電源能提供的輸出功率要求，同時(shí)確定磁芯是否加氣隙，然后計算每個(gè)繞組所要的扎數。確定輸出電壓的精度是否滿(mǎn)足要求，繞組是否適合所選擇的磁芯尺寸。然后繞制變壓器，在實(shí)驗階段，需要驗證工作時(shí)的電壓尖峰、交叉調整量、輸出精度和紋波、RFI等，如果需要的話(huà)需要反復修改，最終要和FPGA控制部分相結合，達到設計的要求。

5、電源管理

對FPGA的供電，我們采用從變壓器輔助繞組引入電流對芯片進(jìn)行供電，而不需要額外的電源。簡(jiǎn)化了系統結構，降低了成本。

四、總結

本文提出了基于FPGA的LED驅動(dòng)設計方案，達到較高的效率和功率因數，十分適合用作路燈、景觀(guān)以及家庭和工業(yè)照明。在固態(tài)照明呼聲越來(lái)越高的今天具有廣闊的前景。此方案作為固態(tài)照明的實(shí)現方案，可以直接應用到各種場(chǎng)合，且可以作為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)數字控制LED驅動(dòng)芯片的實(shí)驗和驗證。

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