基于MCU和基于ASIC的LED可控硅調(diào)光方案對(duì)比與解析

關(guān)鍵詞：LED照明，可控硅調(diào)光    MCU
產(chǎn)品欄目：LED   CPU/MCU,  光器件
    作為一種新的、最有潛力的光源，LED照明以其節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到人們重視。加上國(guó)家和地方政府的政策鼓勵(lì)，我國(guó)的LED照明產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了加速發(fā)展階段，運(yùn)用市場(chǎng)迅速增長(zhǎng)。在室內(nèi)照明方面，用LED燈替代傳統(tǒng)的可調(diào)光白熾燈或者鹵素?zé)粢矊⑹谴髣?shì)所趨。由于傳統(tǒng)的白熾燈調(diào)光器采用可控硅調(diào)光器，用LED燈替代白熾燈時(shí)，要求不能改變?cè)芯€(xiàn)路，還要能適應(yīng)現(xiàn)有的可控硅調(diào)光器。針對(duì)這一目標(biāo)市場(chǎng)，目前很多大的半導(dǎo)體廠(chǎng)商（包括國(guó)際知名半導(dǎo)體廠(chǎng)商）都已經(jīng)推出了自己的LED調(diào)光ASIC，但由于LED固有的發(fā)光原理，目前市面上的LED ASIC調(diào)光案都還不是很成熟，都有其固有的問(wèn)題，本文就將針對(duì)目前的調(diào)光方案做一個(gè)詳細(xì)的分析，并介紹我們基于MCU的調(diào)光方案。
1 LED的發(fā)光特性
   目前的新技術(shù)使LED能夠達(dá)到很高的功率水平，LED的功率能夠達(dá)到1W，甚至有些達(dá)到5W，光效達(dá)到60-85LM/W，這種LED設(shè)備稱(chēng)為高亮LED(HB-LED)。目前我們用在照明上LED都是HB-LED，一般都是選擇1W的LED通過(guò)串并聯(lián)的方式組成大功率LED燈，尤其以串聯(lián)為主。這種LED的 為3.4V±2%，正向電流 為350mA左右。其 - 曲線(xiàn)如圖1.1所示。

圖1.1  LED  — 曲線(xiàn)
  從圖1中可以看出，當(dāng)加在LED兩端的電壓沒(méi)有達(dá)到3.4V之前， 隨著 的增加而增加。當(dāng)加在LED兩端的電壓達(dá)到3.4V時(shí)， 的變化很小，增加LED兩端的電壓只會(huì)增加流過(guò)LED的電流，從而改變LED的亮度，直到增加到LED的最大  (350MA)，LED達(dá)到最大亮度。而 一直被箝位在 (3.4V)左右。并且 會(huì)隨著溫度和LED工作時(shí)間的變化而變化，變化曲線(xiàn)如圖1.2所示。

圖1.2  相對(duì)變化對(duì)溫度的變化曲線(xiàn)
  從圖1.2可以看出，隨著溫度的上升， 會(huì)逐漸變小，相反，當(dāng)溫度降低時(shí)， 會(huì)增加。當(dāng)LED的溫度上升到85度時(shí), 已經(jīng)有變成3.25V（3.4V-0.15V）,相反當(dāng)LED溫度降到-40度時(shí)， 變成3.6V（3.4V+0.2V）。
所以在LED調(diào)光時(shí)，要想讓LED調(diào)到一個(gè)固定的亮度，就必須要保證一個(gè)固定的 ，也就說(shuō)要采用恒流控制。 還有另一種方式：恒功率控制。這也是目前市面上調(diào)光ASIC普遍采用的方式。但恒功率控制有其固有的缺陷。
2 恒功率控制LED調(diào)光方式
2.1 理論依據(jù)
 恒功率控制方式一般采用單級(jí)FLYBACK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基本框圖如圖2.1所示。

圖2.1 恒功率控制方式框圖[!--empirenews.page--]
  從圖中可以看出與一般開(kāi)關(guān)電源的FLYBACK相比，恒功率方案多了一個(gè)調(diào)光信號(hào)控制回路，用于檢測(cè)輸入可控硅的導(dǎo)通角和輸入電壓，從而給出相應(yīng)的調(diào)光信號(hào)。同時(shí)，方案中沒(méi)有反饋信號(hào)，完全開(kāi)環(huán)控制，由原邊控制占空比的大小從而控制輸出功率的大小，。其控制的理論依據(jù)為：

                                                                                                                                                                                                         
式中：
 為輸出給LED的功率；
 為轉(zhuǎn)換器的效率，主要由變壓器決定；
 為原邊變壓器的平均電流；
 為變壓器的原邊電感；
 為FLYBACK的開(kāi)關(guān)頻率。
  恒功率控制方式都是先預(yù)知LED的輸出功率 ，理論上，一旦變壓器設(shè)計(jì)好之后， ，  ， 都已確定，只要改變?cè)呺娏?的大小，就可以改變輸出功率的大小。再由于：

式中：
  U為加在變壓器原邊的電壓，即輸入電壓；D為占空比； 為開(kāi)關(guān)頻率； 為變壓器的原邊電感。根據(jù)式2.2可知， 與D成正比，只要改變占空比D就能改變?cè)呺娏鞯拇笮。簿湍芨淖冚敵龉β实拇笮　?
2.2 優(yōu)缺點(diǎn)
  理論上，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但仔細(xì)分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這種方式存在很多弊端。首先是 很難控制，往往偏差很大，再加上采用開(kāi)環(huán)控制，精度很難保證，在批量時(shí)，用同樣的占空比都會(huì)導(dǎo)致輸出功率偏差很大，直接體現(xiàn)在燈上就是LED的亮度會(huì)偏差很大，很難保證其一致性。
其次，恒功率控制都是預(yù)先假定輸出功率是恒定的，比如用9個(gè)1W（ =3.4V,  =350MA）的LED串聯(lián)起來(lái)用做一個(gè)9W的PAR燈，那么設(shè)計(jì)時(shí)候就會(huì)用 =9W來(lái)計(jì)算。但實(shí)際上每個(gè)LED的 都會(huì)偏差，偏差值如表2.1所示：

    從表格2.1可以看出，雖然每個(gè)LED的偏差都不會(huì)太大， 但當(dāng)LED串聯(lián)起來(lái)時(shí)，總的偏差就不能忽略了。PAR燈的實(shí)際功率可能不止9W或者不到9W,直接反應(yīng)在燈上就是最大亮度沒(méi)有到額定值或者比額定值要亮。當(dāng)PAR燈的實(shí)際功率不到9W時(shí)，而驅(qū)動(dòng)的輸出功率依然是9W，那么流經(jīng)LED的電流 就已經(jīng)超過(guò)了額定的 ，長(zhǎng)期工作對(duì)LED的壽命和顯色性都會(huì)造成一定的影響。
    另外，就算LED出廠(chǎng)時(shí) 沒(méi)有偏差，根據(jù)圖1.2所示， 也會(huì)隨著溫度和工作時(shí)間的變化而變化，當(dāng)由于 的變化使得LED的額定功率小于9W時(shí)，長(zhǎng)期工作將會(huì)影響LED的使用壽命和顯色性。
再次，功率兼容性問(wèn)題。由于恒功率控制方式都是預(yù)先設(shè)定好輸出功率，當(dāng)所接的燈功率與預(yù)先設(shè)定的功率不匹配時(shí)，LED燈不能正常工作。當(dāng)所接的燈的功率小于預(yù)設(shè)功率時(shí)，甚至?xí)龤ED燈。
    還有就是空載損耗的問(wèn)題，由于恒功率控制方案的輸出功率只與輸入電壓和導(dǎo)通角的大小有關(guān)，當(dāng)沒(méi)有與接LED燈時(shí)，依然會(huì)有相應(yīng)的功率輸出，使得空載損耗變得很大。[!--empirenews.page--]
   最后，調(diào)光器的兼容性問(wèn)題。由于LED是用來(lái)替代以前的白熾燈，所以L(fǎng)ED調(diào)光也必須用可控硅調(diào)光。白熾燈是純阻性負(fù)載，對(duì)可控硅的導(dǎo)通不會(huì)造成什么影響，但LED的驅(qū)動(dòng)電路由開(kāi)關(guān)電源組成，就不是一個(gè)純負(fù)載了，因此會(huì)對(duì)可控硅造成一定的影響?？煽毓璧臄夭úㄐ魏苋菀桩a(chǎn)生畸變，尤其很難保持很好的導(dǎo)通狀態(tài)。所以在驅(qū)動(dòng)上一般都要加可控硅穩(wěn)定電路。恒功率控制法由于其純硬件實(shí)現(xiàn)，就算加了可控硅穩(wěn)定電路，對(duì)調(diào)光器的適應(yīng)性也有限。
    由于恒功率控制有其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低的優(yōu)點(diǎn)，而其缺點(diǎn)部分短時(shí)間里可能沒(méi)能體現(xiàn)出來(lái)，所以很多半導(dǎo)體廠(chǎng)商都采用此方法。但若采用MCU控制恒流的方案，以上問(wèn)題都可以很好的解決。
3 基于MCU控制恒流的方案
   世強(qiáng)電訊提出的基于MCU控制恒流的方案整體框圖如圖3.1所示。方案由兩級(jí)組成，第一級(jí)為FLYBACK，采用閉環(huán)控制以輸出一個(gè)穩(wěn)定的電壓給第二級(jí)供電，第二級(jí)采用MCU控制，組成一個(gè)BUCK恒流控制電路。其中MCU要完成的功能包括；1：根據(jù)可控硅導(dǎo)通角的大小，給出相應(yīng)的調(diào)光信號(hào)。2：根據(jù)可控硅斬波后波形的畸變情況決定是否需要改變調(diào)光信號(hào)。3：通過(guò)檢測(cè)LED的電流反饋，給出相應(yīng)的占空比，穩(wěn)定流經(jīng)LED的電流，達(dá)到恒流控制。
圖3.1 基于MCU控制恒流的方案整體框圖

3.1 理論依據(jù)
恒流控制電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為BUCK電路，BUCK用于恒壓輸出時(shí)候，輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系為：

式中：
 為輸出電壓；
D為占空比；
 為輸入電壓。
  從式3.1中可以看出，輸出電壓與占空比和輸入電壓都成正比。在閉環(huán)控制中，取輸出電壓反饋信號(hào) 與預(yù)設(shè)基準(zhǔn)電壓 比較，當(dāng)輸入電壓一定時(shí)，如果 大于 ，則減小占空比D，相反當(dāng) 小于 時(shí)，增大D，以達(dá)到穩(wěn)壓的效果。
所以，當(dāng)BUCK電路用于恒流控制時(shí)，只要把電壓反饋信號(hào)改成電流反饋信 號(hào)就可以達(dá)到恒流的效果。
3.2 優(yōu)缺點(diǎn)
   由于MCU控制恒流方案由于采用恒流控制，針對(duì)恒功率控制方案中出現(xiàn)的問(wèn)題都能很好的解決；
    首先，針對(duì)由于 的偏差對(duì)LED的使用壽命和顯色性的影響問(wèn)題。采用恒流控制方案，當(dāng) 有偏差或者隨著溫度和工作時(shí)間的變化而變化時(shí)，只要D不變，輸出給LED的電流并不會(huì)發(fā)生太大的變化。雖然LED的正向電流 也會(huì)隨著溫度和工作時(shí)間的變化而變化，但每個(gè)LED的 偏差都都不會(huì)太大，對(duì)于用多個(gè)LED串連起來(lái)組成的大功率LED燈，并不會(huì)對(duì)LED的使用壽命和顯色性造成任何的影響。
     其次，由于采用閉環(huán)控制，可以達(dá)到很高的輸出電流的精度。能保證燈的一致性。
     再次，功率兼容性問(wèn)題。MCU恒流控制方案能兼容額定功率以下的LED燈。對(duì)于串聯(lián)的LED燈，改變輸出功率的大小，只是改變了LED燈的數(shù)目n和輸出給LED燈的電壓 ，并不會(huì)改變輸出電流的大小。當(dāng)輸出功率比額定功率小時(shí)，加在LED燈上的箝位電壓 變小，而輸出給LED的電壓 此時(shí)依然為額定值，所以流經(jīng)LED的電流會(huì)變大，使得電流反饋信號(hào) 大于基準(zhǔn)電壓 ，那么占空比會(huì)變小，輸出電壓 變小，流經(jīng)LED的電流也變小，直到額定電流值。所以可以兼容額定功率以下的LED燈。
      而針對(duì)空載損耗問(wèn)題，可以用MCU檢測(cè)是否有負(fù)載接入，當(dāng)檢測(cè)到?jīng)]有LED接入時(shí)，可以關(guān)閉后級(jí)的BUCK電路，減小空載損耗。
     最后，可控硅的兼容性問(wèn)題。恒功率控制方案中，采用純硬件模式來(lái)穩(wěn)定可控硅的導(dǎo)通，對(duì)調(diào)光器的適應(yīng)性還是有限。在MCU控制恒流方案中，除了有硬件穩(wěn)定電路，還有軟件對(duì)可控硅斬波后的波形進(jìn)行辨別處理?？梢酝ㄟ^(guò)軟件設(shè)置，判斷斬波后的波形是畸變還是真的在調(diào)光，從而決定要不要改變相應(yīng)的調(diào)光信號(hào)。所以MCU控制恒流方案提高了對(duì)調(diào)光器的適應(yīng)性。
當(dāng)然，由于MCU恒流控制采用兩級(jí)閉環(huán)控制方案，相對(duì)于ASIC的恒功率單級(jí)控制方案，也存在一些不足之處，首先就是在結(jié)構(gòu)上要比恒功率控制方案復(fù)雜，成本上略高1~2RMB，另外就是效率比恒功率方案要低，但完全能滿(mǎn)足“能源之星”的要求。
4總結(jié)
表1兩種方案的優(yōu)劣對(duì)比
 

    通過(guò)上述的分析比較，不難看出，在一致性、功率兼容性、調(diào)光器的兼容性和對(duì)LED的使用壽命和顯色性的影響等關(guān)鍵指標(biāo)方面，MCU控制恒流方案都要比ASIC控制恒功率方案有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。