大热的LED驱动设计，简化系统，轻松实现

[摘要]

本项目是基于PFC理论、电流环控制理论来实现一个带PFC功能的专用数字LED驱动，使用FPGA进行控制，可以得到高的可靠性、传输简单性能指标良好、控制方式先进和外围元件很少等优点。为固态照明LED领域提供更可靠经济实用的照明驱动。

一、设计目标

随着节能的概念日益深入人心，作为固态照明的的新型发光材料LED取得长足的进步。在欧洲，他们专门制订了COST五年行动计划，它提出新型光源要符合三个条件：高效、节能：不使用有害于环境的材料；模拟自然光，其显色指数接近100。美国有专家提出，半导体已在电子学方面完成了一场革命，第二场革命将在照明领域进行，到2020年左右。固体光源的发光效率将达到2001m／w，能符合COST计划提出的对新光源的要求，这样，在国际上掀起了LED照明的热潮。LED的最大潜在应用是普通照明。随着技术的进步，高亮度自光LED正一步步进军潜力巨大的灯光照明市场。

对于大功率电压管理，为了防止加在负载上的电压和电流波形之间存在相位差导致的结果之一是供电效率降低，即产生所要求的电力需要输入更大的电力；导致的另外一个结果而且是更严重的后果，那就是电压和电流的波形差产生过多的高次谐波。大量的高次谐波反馈到主输入线（电网），造成电网被高次谐波污染成为恶性事故的隐患。同时，这种高次谐波也会扰乱控制系统里的敏感低压电路。在欧洲有专门的标准要求电源管理必须有PFC（Power factor correct）来提高电源的质量。

同时作为排名2007年最值得期待的十大热门半导体技术第二的数字电源无疑也是现在的热门技术之一，由于数字电源具有更高的可靠性，外围元件少，利于控制等优点，数字电源越来越受到电源管理界的注意。

基于以上三个原因，我们提出了基于FPGA调光的带PFC功能的专用数字LED驱动这个项目。它将适用于路灯、景观以及家庭和工业照明，有广阔的应用前景。

二、设计思路

当电压通过整流桥后，由H2模块对输入电压波形进行采样；用一个Windowed ADC对输入电流进行采样，然后进行处理，使输入电流跟随输入电压的波形，这样就达到了电流跟随电压波形的目的，从而实现PFC校正的功能。由于对LED的驱动需要恒流，在反馈端，H1通过对电压的取样，达到了恒定输出电流的目的，从而实现了LED恒流的专用驱动。

在框图中，电流环路和电压环路由FPGA进行控制，这样会达到一个很好的控制方式。

图 1 整体系统框图

三、系统设计

1、电压环路的设计

从图一我们可以看见，从输出采样的ADC产生了一个通过电压环路补偿器的电压误差信号ev[n],电压补偿器同时产生一个控制信号u[n],它和输入端采样进行的半周期的电压正弦信号Vg（t）进行相乘，为电流环路的补偿产生一个参考电流。

电压控制环路应用简单，响应速度很快，它由一个基于PI的一个补偿器和一个Windowed ADC组成。其输入输出特性见图2，e[n]围绕着Vref电压波动，当输出电压小于设定的电压时，e[n]为正，通过电压补偿器，乘法器等调节输出占空比。同样当输出电压大于设定电压时，可以通过调节占空比将输出电压降低，达到了稳定输出电压及电流的功能。同时为了得到更好的动态响应，△VQ|e=0比其他的值大，为输出确定一个可以接受的输出纹波，当振荡超出其范围的时候，e[n]就会其作用稳定输出电压。

图2 Delay-line based windowed ADC

图3为ADC的结构框图，它由两个延迟线，一个快速存储器和一个误差解码器组成。传输延迟单元由D触发器组成，延迟时间的大小由其供电电压决定。第一个延迟线有N+1个单元，其传输时间由Vref决定。另一个有N+M个单元，它的延迟时间和输出PFC电压成反比。以此来实现稳定输出电压和电流的功能。

图3 Windowed  ADC

2、电流环路的设计

此电路环路主要是实现PFC的功能，同时对输出电压和电流的稳定进行调节。输入电压被采样以后和输出电压的反馈信号u[n]进行相乘，生成信号被传送到另外一个Windowed ADC中作为基准，同时这个Windowed ADC用来采样输入电流的大小，采样进来的值和基准进行比较，然后生成ei[n]信号进入电流环路补偿器，来产生一个d[n]到DPWM（digital-pulse width modulator），然后控制输出的MOSFET管，形成一个回路来使电流跟随电压波形和对输出电压和电流起稳定作用。

3、系统设计

整个系统中，我们从对交流电整流后，在switching converter这个模块里面，我们采用反激式的开关电源拓扑模式，可以使输出达到想要的电压或者电流值，低电压的输出对LED的可靠工作是一个很好的保证。反激式电路拓扑由于具有使用元件少、本身固有的效率比较高的特点，在功率比较低的场合很受欢迎。然后由FPGA进行控制MOSFET的占空比，配合变压器进行PFC同时得到一个恒流输出以驱动大功率白光LED。为达到较高的安全性，交流输入和直流输出采用光偶进行隔离。

4、变压器设计

磁性元件的设计对性能非常关键。首先根据相应的场合和工作频率选择磁芯材料，我们选择铁氧体作为磁芯材料，因为铁氧体的磁感应强度比较大，较小的磁芯就可以提供较大的功率，同时也要满足国际电工委员会（IEC）制定的标准。

然后是确定磁芯的尺寸，以满足电源能提供的输出功率要求，同时确定磁芯是否加气隙，然后计算每个绕组所要的扎数。确定输出电压的精度是否满足要求，绕组是否适合所选择的磁芯尺寸。然后绕制变压器，在实验阶段，需要验证工作时的电压尖峰、交叉调整量、输出精度和纹波、RFI等，如果需要的话需要反复修改，最终要和FPGA控制部分相结合，达到设计的要求。

5、电源管理

对FPGA的供电，我们采用从变压器辅助绕组引入电流对芯片进行供电，而不需要额外的电源。简化了系统结构，降低了成本。

四、总结

本文提出了基于FPGA的LED驱动设计方案，达到较高的效率和功率因数，十分适合用作路灯、景观以及家庭和工业照明。在固态照明呼声越来越高的今天具有广阔的前景。此方案作为固态照明的实现方案，可以直接应用到各种场合，且可以作为进一步开发数字控制LED驱动芯片的实验和验证。

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