一種驅(qū)動(dòng)LED陣列照明的恒壓恒流模型及其仿真

摘要：針對(duì)LED芯片正向電壓差異導(dǎo)致的LED陣列照明燈具串電流不均等、發(fā)光不平衡等問題，構(gòu)建了一種恒壓恒流驅(qū)動(dòng)模型，擬用數(shù)字控制芯片實(shí)現(xiàn)該模型，并用Matlab對(duì)其數(shù)字實(shí)現(xiàn)邏輯進(jìn)行了仿真。該模型采用相移脈寬調(diào)制技術(shù)確保每串LED電流均等，降低了總線電流的脈沖幅度，減少了系統(tǒng)電磁干擾，提高了轉(zhuǎn)換效率，并能很方便地進(jìn)行線性調(diào)光。
關(guān)鍵詞：LED照明驅(qū)動(dòng)；相移脈寬調(diào)制；數(shù)字控制；Matlab

0 引言
    由于LED具備環(huán)保、長(zhǎng)壽命和很高的發(fā)光效率等優(yōu)點(diǎn)，使它作為下一代理想光源的地位已被各國(guó)相繼確認(rèn)。但LED最終取代傳統(tǒng)光源，還有許多技術(shù)瓶頸，其中LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)是有待突破的關(guān)鍵瓶頸之一。
    目前常用單顆大功率LED芯片的功率為1 W左右，要構(gòu)建成更大功率的LED燈具，必須多顆LED芯片進(jìn)行組合。LED發(fā)光的光通量與正向電流近似成線性關(guān)系，其光通量和色溫都被流經(jīng)它的電流所控制。確保每個(gè)LED發(fā)光芯片有相同的亮度的一個(gè)有效的方法是采用多個(gè)LED連成一串。然而，這樣的一個(gè)主要問題是它們累積的電壓降限制了串聯(lián)的數(shù)量，限制了燈具功率擴(kuò)大。另一方面，由于，LED的V／I特性的指數(shù)關(guān)系和LED正向壓降的負(fù)溫度特性，多個(gè)LED并聯(lián)將遇到各LED串的均流問題。
    影響光通量和色溫的另外一個(gè)因素是溫度。在使用中，LED燈一旦被點(diǎn)亮，系統(tǒng)溫度會(huì)升高，隨之LED的正向電流會(huì)增大，電流的增大會(huì)使溫度更高。如果繼續(xù)這個(gè)循環(huán)，LED燈具最終會(huì)被燒毀。因此，LED燈串的電流控制和溫度控制在LED照明系統(tǒng)中顯得非常重要。

1 LED封裝芯片的正向電壓差異
    由于LED封裝技術(shù)的復(fù)雜性，使LED芯片的最佳工作正向電壓(Vf)存在較大的差異。表1列舉了三家不同廠商產(chǎn)品的Vf值范圍，從表中可以看出，LED芯片的Vf值最大偏差可以達(dá)到40％，平均偏差也在20％左右。LED的正向電流與正向電壓成指數(shù)正變化關(guān)系，Vf的微小差異將造成LED正向電流的很大差異，從而影響LED正常照明。表中數(shù)據(jù)顯示如此大的誤差，故在照明驅(qū)動(dòng)中不得不認(rèn)真考慮這個(gè)問題。與驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展相比，LED芯片制造和封裝上的改進(jìn)往往更艱難。因此控制流經(jīng)LED芯片的電流顯得更有意義。

2 大功率LED陣列燈具的驅(qū)動(dòng)模型
    有幾種方法驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED串并聯(lián)陣列，一個(gè)直接的方法直接用總線供電模式對(duì)多串LED芯片供電，參考文獻(xiàn)，這樣的模式?jīng)]有解決LED串電流的均等問題，對(duì)LED燈具的壽命和發(fā)光效果造成不利影響。圖1顯示的模型在調(diào)控總線電壓的基礎(chǔ)上，在每個(gè)LED串上連接一個(gè)電流調(diào)節(jié)器。通常，電流調(diào)節(jié)器可以是線性模式或開關(guān)模式。圖1采用開關(guān)模式，LED串總線電壓由前極開關(guān)變換模塊提供，每個(gè)LED串連接一個(gè)開關(guān)管，使LED串的電流受相移脈寬調(diào)制(Phase Shift Pulse Width Modulation，PS-PWM)，其作用是：通過相位控制，確保各串電流脈沖無多串同時(shí)躍變；通過反饋控制，調(diào)整開關(guān)脈沖占空比，確保各串LED電流均等。一種PS-PWM調(diào)制電路的實(shí)現(xiàn)可參照。在圖1所示模型中，采用數(shù)字
控制芯片實(shí)現(xiàn)PS-PWM將更好。

    對(duì)LED串電流的取樣可用圖2所示的電路實(shí)現(xiàn)。取樣輸出值與串電流的比例關(guān)系如圖中等式所示。

3 大功率LED陣列恒壓恒流驅(qū)動(dòng)模型的數(shù)字實(shí)現(xiàn)
    數(shù)字控制芯片的工作性能在快速提高的同時(shí)，其成本也下降迅速。如Mieroehip公司的dsPIC33FJXXGSDSC系列芯片，TI公司TMS320F280xx系列芯片，其工作頻率都在幾十MHz，對(duì)100KHz級(jí)的開關(guān)頻率，可以實(shí)現(xiàn)在單開關(guān)周期內(nèi)完成一次控制循環(huán)。在成本上，如TI公司的TMS320F2 802-7DAT官網(wǎng)報(bào)價(jià)(2010年9月)為2．85美元，它集成了一個(gè)7通道12位ADC、8路PWM輸出模塊、一個(gè)模擬比較器，還有各種常用的通信接口。一塊芯片就可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制的大部分功能，在成本上有較大的優(yōu)勢(shì)。

    圖3是對(duì)圖1 LED陣列驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)邏輯圖。其相位設(shè)定模塊、保護(hù)模塊與ADC模塊可以通過數(shù)字芯片的簡(jiǎn)單設(shè)置來完成；PID控制、恒壓限流和PWM占空比調(diào)節(jié)模塊通過軟件編程實(shí)現(xiàn)。通過通信接口接收調(diào)光等命令，可以很方便的對(duì)LED照明進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)。由于控制結(jié)構(gòu)是通過軟件實(shí)現(xiàn)的，給LED驅(qū)動(dòng)的工作狀態(tài)檢測(cè)和其他功能擴(kuò)展帶來了很大的靈活性。

4 數(shù)字控制邏輯的Matlab仿真
    如圖4所示，為數(shù)字控制邏輯的仿真模型圖。其中：RL=105 Ω，RL1=100 Ω，RL2=95 Ω。

    根據(jù)LED的V／I特性，當(dāng)LED工作在Vf附近時(shí)，LED串可近似用純電阻代替。不同的電阻值表征各LED串總Vf的不同。
4．1 PID控制和PWM相移
    LED串電流的PID控制主要包括：
    (1)對(duì)輸出誤差信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性；
    (2)對(duì)輸出誤差調(diào)整值進(jìn)行歸一化運(yùn)算；
    (3)歸一化后的調(diào)整值與幅值為1的鋸齒波比較，調(diào)節(jié)占空比輸出PWM脈沖；
    (4)控制輸出脈沖相位。其中恒壓限流PID控制完成DC—DC輸出電壓和電流的雙環(huán)控制。
    驅(qū)動(dòng)相鄰兩串LED的PWM波形相差360°／N，N為L(zhǎng)ED串的并聯(lián)總數(shù)。如圖4為仿真模型中，N=3，則驅(qū)動(dòng)第1到第3串的PWM波形初始相位分別為0°，120°，240°。
4．2 仿真結(jié)果
    如圖5所示，各串電流得到了較好控制，輸出電流脈沖的占空比大小從第1串到第3串依次減小，但其峰值依次增大，確保各串均值電流一致。

    DC—DC模塊電壓和LED串電流的PID調(diào)節(jié)輸出如圖6所示，其過沖分別為2．4％和2．1％，效果較好。

    圖7顯示了無PS-PWM控制(虛線所示)和有PS-PWM控制的總線電流(實(shí)線所示)比較。從圖7中可以看出，無PS-PWM控制的總線電流脈沖跳躍幅度是有PS-PWM控制的3倍。即N串LED并聯(lián)時(shí)，通過PS-PWM調(diào)制可以使總線電流脈沖跳躍幅度減小到原來的1／N。

    系統(tǒng)效率如圖8所示，Iset為PID模塊的輸入比較值，通過修改它，等效于對(duì)LED串調(diào)光，在大部分調(diào)光范圍內(nèi)，其效率大于91％。

5 結(jié)語(yǔ)
    由仿真結(jié)果可以看出，通過PS-PWM調(diào)制，總線電流跳躍幅度與沒有PS-PWM控制時(shí)相比，降低了2／3，減小了系統(tǒng)的EMI。通過對(duì)每串LED電流進(jìn)行PWM占空比調(diào)節(jié)，較好的克服了由于LED芯片Vf的差異帶來的問題，同時(shí)維持了較高的效率。通過對(duì)電流參考值的調(diào)節(jié)可以很方便地對(duì)燈具進(jìn)行調(diào)光。數(shù)字控制芯片可以使該模型在高性能和低成本上得到較好的實(shí)現(xiàn)。