LED驱动电源组合调光策略与实现

照明是与人类生活息息相关的一个领域，也是消耗能源的重要方面，约占世界总耗能的20%。LED（Light Emitting Diode）作为新型高效固体光源，由于高效、环保、寿命长等优点，广泛应用在室内外照明、景观设计、指示灯等方面。LED 照明迅速成为最热门的第四代电光源之一，已成为未来照明产业发展的方向。
另外，为了适应实际生产和节电的需要，LED通常需要调光。调光电路的实现，既节省电能，降低了浪费，同时，避免LED长期在超负荷状态下工作，提高了LED的运行效率和寿命。本文通过研究电力电子开关变换器和调光策略，分析设计LED在不同调光方式下的运行状态，实现高效的组合调光策略。
1 Flyback 驱动电路分析
隔离型反激电路具有所用器件最少、成本低、功率密度大、电气隔离、易实现多路输出、提供耐压保护等优点，适合150 W以下小功率电源装置，而LED 照明一般是采用小功率的电源装置。本文采用反激电路作为主电路，采用UC3842 作为控制芯片。UC3842 是一种固定频率电流型控制芯片，外围元件少，振荡频率最大可达500 kHz，控制简单，外围电路也比较成熟。电路原理图如图1所示。


图1 Flyback 恒流驱动电路

LED 由于其陡峭的伏安特性，一般采用恒流驱动。本文采用双环控制恒流输出。如图1，通过电流采样电阻Rs将电流信号转换成电压信号，与给定的Uref-i值进行比较，通过PI调节，经过光耦隔离形成电流误差信号作为内电流环的给定，与开关电流进行比较，再通过UC3842 内部比较器形成PWM波，用以控制开关管的开断,当电流参考值恒定时，电路工作达到稳态即恒流输出。通过调节VR2可以改变Uref-i值，从而达到调光效果。另外，为了防止输出过压，在反馈环节还加了一个电压环，通过调整VR1改变输出限压值。图中参考电压Uref由TL431提供2.5 V的基准电压。


        

2 调光策略分析
LED的亮度是随着正向电流IF的变化而呈现近似比例变化的，当改变正向电流平均值时，相应地也能改变光输出的大小。常见的改变IF大小的有两种方式，如图2所示。


图2 改变正向电流的两种方式

在图2（a）中，通过在不同时刻连续地调节流过LED的电流，来改变光通量输出，流过LED的电流是连续的；在图2（b）中，先给定一个Im值，通过给定不同的占空比Ddim控制电流，则流过LED的电流：



式中，Ton是在调光开关管一个周期Tdim内的导通时间。这样，通过调节调光占空比Ddim和Im，都可以达到调光效果。
根据改变电流方式的不同，其调光电路可相应地分为模拟调光和PWM调光。
2.1 模拟调光
模拟调光方式可分为开关式幅值变化AM调光和线性调光，其电路控制原理图如图3。幅值变化调光如图3（a），其一般有两种方法：

① 固定参考电压Uref-i的大小， 而改变采样电阻Rs的大小。为减小系统功耗，Rs一般取1 Ω以下，而市场上1 Ω左右的电位器又比较少见； ②电流采样电阻保持不变，线性改变Uref-i的大小，即电流参考值改变。这样既可减少电阻上的功耗，又简单方便。线性调光是将工作在放大区的功率管当做动态电阻，如图3（b）、（c）所示，分为并联型和串联型两种。此时主电路工作在恒压模式，通过改变Q1的阻值来调节电路电流。模拟调光能够避免调光时产生的噪声，无闪烁现象，而且简单方便。但是变换器始终处在连续工作状态，系统的损耗比较大；另一方面，模拟调光时LED的色温、光效等光学特性会随着电流变化而变化，在对色温等要求严格的场合该方式受到限制。


图3 模拟调光示意图



        
2.2 PWM 调光
PWM调光能够精确地控制流过LED的电流，调光范围更宽，色温不会发生漂移，而且LED驱动器的效率高，缺点是调光时容易产生噪声。PWM调光频率一般在200 Hz 以上，以避免产生LED闪烁等情况。调光方案如图4，在输出负载串接一开关管，通过单片机输出PWM脉冲反复地接通和断开LED电流来调节发光亮度。


图4 PWM调光示意图


图5 调光PWM产生电路原理图

PWM模块由Microchip公司生产的8位单片机PIC16F877A产生。单片机晶振为4 M，调光频率fdim设为250 Hz。AD采集后的数据通过转换作为占空比的给定值，单片机输出的PWM波经过TLP250放大后作为驱动调光MOS管的PWM信号。电路原理图如图5。
由于反激电路不能工作在空载状态，当空载即输出电流为0 时输出电压会很快窜到限压值，所以进行PWM 调光时的Im即电路的最大电流。在进行PWM调光时，先调整电压环和电流环使得电路的最大工作电流为额定电流Im，对Im进行PWM调节，则iLEDS=DdimIm。


        
2.3 组合调光
将模拟调光和PWM调光结合起来，相互弥补不足，在既需要模拟调光也要求PWM调光的场合尤为适用。根据电路特点和实际应用，提出了结合两种调光方式的调光方案。
（1）在PWM 调光的基础上改变Im进行混合调光。当调光开关管Sdim断开时输出电压为限压值Uo-set，则在Sdim的开通时间内，输出部分构成一阶零输入响应。LED 模型UO=Uturn-on+Rled×IO，则等效电路图如图6 所示，经过DdimTdim的导通时间后，输出电压为：



设Ddim在0.3~1 范围内可调，Uo-set取30 V，Uturn-on取25 V，fdim取250 Hz，输出电容取2000 μF，Rled为7 Ω，则Uo﹥29 V。所以在Sdim开通时刻，Uo基本保持限压值不变，电流为该限值下的最大值Im。此时调节电流环已不起作用，通过连续调节电压环强制改变限压值，从而改变Im以达到调光效果。
（2）第二种调光方案：将LED并联两路，一路用模拟调光，一路用PWM 调光。两路调光示意图如图7 所示。Ⅰ路和Ⅱ路的输出电压都为Uo，则Ⅰ路通过模拟方式进行调光；Ⅱ路的Im即在电压Uo下的电流值，通过改变占空比改变流过Ⅱ路的电流，进行调光。若两路带的负载一样， 则Io=I1+I2≈(1+D)I1。


图6 调光开光管闭合时输出等效电


图7 两路调光示意图



        
3 实验结果
基于上述拓扑的分析，设计了一个输入电压Uin=36~60 VDC，输出电流Io=0.7 A，输出电压Uo=30V左右的调光电路，电路工作频率为50 kHz，能在30%-100%宽范围内调光。实验的负载采用额定电流为30 mA的小LED 灯8串16并联构成，最大电流可达到1 A。
图8 给出了恒流输出和纹波波形，图9和图10分别是模拟调光和PWM 调光时的驱动波形。图11是三种方式的效率曲线，由图11可知，在一定输出电流范围内，PWM调光的效率最高，模拟调光次之，组合调光效率有所降低，但都能保持在85%以上。


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图8 当Uin=48 V，Io=0.45 A恒流输出时输出电流及其纹波


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图9 当Uin=48 V，Io=0.45 A模拟调光时主开关管Uds和Ugs波形


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图10 当Uin=48 V，Io=0.45 A PWM调光时主开关管和调光开关管Ugs波形


图11 三种调光方式的效率对比曲线

4 结论
本文采用反激变换器电路拓扑，设计了一个LED驱动电源与组合调光电路。分析总结了几种LED调光方法，通过实验样机设计、结果分析，该电路实现了模拟、PWM以及组合调光，调光效率在86%以上，纹波在4%以下，开关管电压应力在允许范围之内，能实现高效可靠的LED照明调光。