基于MAX16801/16802的LED照明驱动的设计

　　引言

　　LED作为一种出现时间最晚的照明技术，其优点不仅体现在发光质量方面，在生产、制造、易用性方面都要大大超越白炽灯、荧光灯等传统光源。受到荧光灯发光原理的启发，LED生产商通过在高亮度蓝光LED管芯上加一层荧光粉，用蓝光激发荧光粉发出白光。此外，通过采用不同的荧光粉，可发出色温为4500～10000K及色温为2850～3800K的多种白光LED，白光LED的发光效率大都已超过301m/W，某些产品已超过50lm/W的水平，具备了正式大规模实用化的基础。RGB三色LED合成白光综合性能好，在高显色指数下，流明效率有可能高到2001m/w，要解决的主要技术难题是提高绿光LED的电光转换效率，目前其只有13%左右。对于LED激发荧光粉发光而言，三基色混光可以避免前者光谱分布不连续，显色性不好等缺点，同时三基色混光的人眼舒适度可大大提高，由三基色PWM调制后可以根据需要在同一光源实现多色和全彩色照明。

　　1 设计理念及方案

　　设计大功率半导体驱动，首先要从发光芯片选择及光源实现;驱动电路设计，二次光学设计;设备封装三个方面考虑。

　　在LED照明中，有单色LED激发荧光粉发光的成功设计案例，但考虑到这种方案出光难以实现全光谱、高显色，在本次设计中采用RGB三基色混光光源，及对红绿蓝三种单色LED芯片单独驱动，分别发光实现光源的完成。为了满足大功率输出下的照度稳定，要实现对LED温度衰减的补偿，同时也要对启动时的浪涌脉冲和电流的不稳定波动做出补偿。在二次光学设计时主要考虑三基色混光，在积分球混光和光纤耦合的对比中选择光纤耦合，将三色芯片的出光通过光纤耦合混光后输出。

　　2 LED光学特性及电气特性

　　对于超高亮LED的特性，当正向电压超过某个阈值(约2V)，即通常所说的导通电压之后，可近似认为，IF与VF成正比。当前超高亮LED的最高IF可达1A，而VF通常为2～4V。由于LED的光特性通常都描述为电流的函数，而不是电压的函数，采用恒流源驱动可以更好地控制亮度。此外，LED的正向压降变化范围比较大(最大可达lV以上)，VF的微小变化会引起较大的IF变化，从而引起亮度的较大变化。所以，采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性，并且影响LED的可靠性、寿命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驱动。LED的光通量与温度成反比，85℃时的光通量是25℃时的一半，而-40℃时的光输出是25℃时的1.8倍。温度的变化对LED的波长也有一定的影响，因此，良好的散热是LED保持恒定亮度的保证。

　　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。对于LED，根据国际照明委员会CIE发布的色度图知道，光的色彩与三基色R、G、B的比例有关，并且有r(λ)+g(λ)+b(λ)=1。LED取RGB合成白光这种办法的主要问题是绿光的转换效率低，现在红绿蓝LED转换效率分别达到30%、10%和25%，由于合成白光所要求的色温和显色指数不同，对合成白光的各色LED流明效率也有不同。当对三个发光芯片提供不同比例的脉宽电流时，可以输出不同灰度的照明光源，如果对于混光比例实现多级的灰度计算，即可接近全彩色调光。为了提高混光效率，常用的方案有积分球混光、混光棒混光。为了减小器件封装体积，本方案运用光纤耦合混光，即使三芯片发出的光经过凸透镜注入位于焦点处的光纤，并在光纤中进行混光，混光通过光纤出送至凹透镜输出。

　　4 驱动电路设计

　　整个电路分三部分：a.开关电源，实现市电向低压恒流LED适应电流的转换;b.PWM调制电路，实现对LED出光效率的控制;c.控制电路，实现对开关电源和PWM的连接和控制，实现混光后对出光灰度的控制。

　　4.1 基于MAXl6801/16802的AC/DC开关电源

　　高亮度(HB)LED驱动器控制集成芯片MAXl680l/16802基本满足了实际LED驱动器关键电路的要求，可用于高亮度照明和显示应用，可进行85～265V的AC整流电压输入，需要精度调节LED电流时，可利用片上的误差放大器以及精度为1%的基准。通过片内PWM亮度调节也可以实现较宽的亮度调节范围。

　　MAXl6801/16802内部功能如图1所示。

　　单个LED芯片的驱动电路如图2所示。

对于电路各个端口之间功能的描述：

　　UVLO/EN：外部可编程欠电压锁定。UVLO设置输入启动电压。将UVLO连接至GND可禁止器件工作。DIM/FB：低频PWM亮度调节输入/误差放大反向输入端。COMP：误差放大器输出。在高亮度LED电流调节应用中，将补偿元件连接在DIM/FB和COMP之间。

　　CS：电流感应信号连接端，用于电流调节。戒指检流电阻高端。可以甩RC滤波器除去前沿上的毛刺。GND：功率地。NDRV：外部N沟道MO-SET栅极连接端。Vcc：栅极驱动电源。内部由IN降压得到。Vcc与GND之间接一只10nF以上的去耦电容器。IN：IC电源。IN与GND之间接一只10nFt以上的去耦电容器。自举工作模式下MAXl6801，可以在输入电源和IN之间接一个启动电阻。偏置绕组电源连接至该点。对于MAXl6802，IN直接接+10.8～+24V电源。

　　4.2 单一LED芯片的PWM控制电路

　　由于红绿蓝三种LED的电光转换效率不一致，并且在混光时对于红绿蓝三基色的配比不同，故要对三色芯片单独调制。调制芯片选NCP-1200，该芯片是安森美半导体公司(ON Semiconductor)推出的一款电流型PWM控制器。其应用电路只需要使用很少的外围元件，使设计更加紧凑。另外，芯片内集成输出短路的保护电路，使成本可进一步降低。模块中有两种反馈类型：第一种是输出电压反馈，输出电压采样值VSS和单片机提供的设定值进行比较，通过光耦来控制NCPl200芯片阳脚的电压，调整DRV脚输出PWM的脉宽来控制场效应管的导通和关断时间，从而达到调整输出电压值的目的。另一路反馈是电流限流反馈，当采样到的输出电流值ISS超过单片机提供的最大限流值IPWM后，比较器输出正电压使得光耦最大导通，将FB脚电压拉低，使得NCPl200输出PWM脉宽减小，从而达到限流的目的。当输出电流小于单片机提供的限流值时，限流反馈不起作用。

　　单色控制电路框图如图3所示。

　　4.3 实时控制三基色电路

　　在对NCPl200的控制中，使用ATmega8515单片机。ATmega8515的输入端为用户设置和温度反馈及光强反馈，输出端是对NCPl200中PWM调制脉宽的控制信息。

　　在ATmega8515的I/O口可通过键盘、拨号开关实现多控制信号设置。也可以依照计算好的三色混光比例与三芯片PWM表将全彩色的各种脉宽配比编程输入单片实现快速变色。

　　4.4 总体框架

　　为了保证LED由于发热引起的光强衰减得到补偿，在输出端加上了温度反馈及光强反馈，用于修正发热引起的光衰减。总体结构如图4所示。

　　5 结束语

　　为了实现大功率全彩色的LED照明，设计了以MAXl6801/16802为核心的开光电源供电，通过PWM调节分别对红绿蓝三基色芯片供电的RG-BLED照明驱动设计方案。此设计考虑了LEDI芯片在工作中随温度上升而产生发光衰减、输出波长漂移、流明衰减等实际问题，并作出相应的补偿。实现了一定程度上的灰度调节。在以ATmega8515单片机为核心的控制系统下，利用温度传感器和光电传感器作为反馈信息源，实现了自适应控制。实验证明此驱动电路运行良好，可实现一定程度上的多色照明，运用于户外照明和景观照明。