大熱的LED驅(qū)動設(shè)計,簡化系統(tǒng),輕松實現(xiàn)
一、設(shè)計目標(biāo)
隨著節(jié)能的概念日益深入人心,作為固態(tài)照明的的新型發(fā)光材料LED取得長足的進(jìn)步。在歐洲,他們專門制訂了COST五年行動計劃,它提出新型光源要符合三 個條件:高效、節(jié)能:不使用有害于環(huán)境的材料;模擬自然光,其顯色指數(shù)接近100。美國有專家提出,半導(dǎo)體已在電子學(xué)方面完成了一場革命,第二場革命將在 照明領(lǐng)域進(jìn)行,到2020年左右。固體光源的發(fā)光效率將達(dá)到2001m/w,能符合COST計劃提出的對新光源的要求,這樣,在國際上掀起了LED照明的 熱潮。LED的最大潛在應(yīng)用是普通照明。隨著技術(shù)的進(jìn)步,高亮度自光LED正一步步進(jìn)軍潛力巨大的燈光照明市場。
對于大功率電壓管理,為了防止加在負(fù)載上的電壓和電流波形之間存在相位差導(dǎo)致的結(jié)果之一是供電效率降低,即產(chǎn)生所要求的電力需要輸入更大的電力;導(dǎo)致的另 外一個結(jié)果而且是更嚴(yán)重的后果,那就是電壓和電流的波形差產(chǎn)生過多的高次諧波。大量的高次諧波反饋到主輸入線(電網(wǎng)),造成電網(wǎng)被高次諧波污染成為惡性事 故的隱患。同時,這種高次諧波也會擾亂控制系統(tǒng)里的敏感低壓電路。在歐洲有專門的標(biāo)準(zhǔn)要求電源管理必須有PFC(Power factor correct)來提高電源的質(zhì)量。
同時作為排名2007年最值得期待的十大熱門半導(dǎo)體技術(shù)第二的數(shù)字電源無疑也是現(xiàn)在的熱門技術(shù)之一,由于數(shù)字電源具有更高的可靠性,外圍元件少,利于控制等優(yōu)點,數(shù)字電源越來越受到電源管理界的注意。
基于以上三個原因,我們提出了基于FPGA調(diào)光的帶PFC功能的專用數(shù)字LED驅(qū)動這個項目。它將適用于路燈、景觀以及家庭和工業(yè)照明,有廣闊的應(yīng)用前景。
二、設(shè)計思路
當(dāng)電壓通過整流橋后,由H2模塊對輸入電壓波形進(jìn)行采樣;用一個Windowed ADC對輸入電流進(jìn)行采樣,然后進(jìn)行處理,使輸入電流跟隨輸入電壓的波形,這樣就達(dá)到了電流跟隨電壓波形的目的,從而實現(xiàn)PFC校正的功能。由于對LED 的驅(qū)動需要恒流,在反饋端,H1通過對電壓的取樣,達(dá)到了恒定輸出電流的目的,從而實現(xiàn)了LED恒流的專用驅(qū)動。
在框圖中,電流環(huán)路和電壓環(huán)路由FPGA進(jìn)行控制,這樣會達(dá)到一個很好的控制方式。
三、系統(tǒng)設(shè)計
1、電壓環(huán)路的設(shè)計
從圖一我們可以看見,從輸出采樣的ADC產(chǎn)生了一個通過電壓環(huán)路補償器的電壓誤差信號ev[n],電壓補償器同時產(chǎn)生一個控制信號u[n],它和輸入端采樣進(jìn)行的半周期的電壓正弦信號Vg(t)進(jìn)行相乘,為電流環(huán)路的補償產(chǎn)生一個參考電流。
電壓控制環(huán)路應(yīng)用簡單,響應(yīng)速度很快,它由一個基于PI的一個補償器和一個Windowed ADC組成。其輸入輸出特性見圖2,e[n]圍繞著Vref電壓波動,當(dāng)輸出電壓小于設(shè)定的電壓時,e[n]為正,通過電壓補償器,乘法器等調(diào)節(jié)輸出占空 比。同樣當(dāng)輸出電壓大于設(shè)定電壓時,可以通過調(diào)節(jié)占空比將輸出電壓降低,達(dá)到了穩(wěn)定輸出電壓及電流的功能。同時為了得到更好的動態(tài)響應(yīng),△VQ|e=0比 其他的值大,為輸出確定一個可以接受的輸出紋波,當(dāng)振蕩超出其范圍的時候,e[n]就會其作用穩(wěn)定輸出電壓。
圖3為ADC的結(jié)構(gòu)框圖,它由兩個延遲線,一個快速存儲器和一個誤差解碼器組成。傳輸延遲單元由D觸發(fā)器組成,延遲時間的大小由其供電電壓決定。第一個延 遲線有N+1個單元,其傳輸時間由Vref決定。另一個有N+M個單元,它的延遲時間和輸出PFC電壓成反比。以此來實現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓和電流的功能。
2、電流環(huán)路的設(shè)計
此電路環(huán)路主要是實現(xiàn)PFC的功能,同時對輸出電壓和電流的穩(wěn)定進(jìn)行調(diào)節(jié)。輸入電壓被采樣以后和輸出電壓的反饋信號u[n]進(jìn)行相乘,生成信號被傳送到另 外一個Windowed ADC中作為基準(zhǔn),同時這個Windowed ADC用來采樣輸入電流的大小,采樣進(jìn)來的值和基準(zhǔn)進(jìn)行比較,然后生成ei[n]信號進(jìn)入電流環(huán)路補償器,來產(chǎn)生一個d[n]到 DPWM(digital-pulse width modulator),然后控制輸出的MOSFET管,形成一個回路來使電流跟隨電壓波形和對輸出電壓和電流起穩(wěn)定作用。
3、系統(tǒng)設(shè)計
整個系統(tǒng)中,我們從對交流電整流后,在switching converter這個模塊里面,我們采用反激式的開關(guān)電源拓?fù)淠J?,可以使輸出達(dá)到想要的電壓或者電流值,低電壓的輸出對LED的可靠工作是一個很好的 保證。反激式電路拓?fù)溆捎诰哂惺褂迷佟⒈旧砉逃械男时容^高的特點,在功率比較低的場合很受歡迎。然后由FPGA進(jìn)行控制MOSFET的占空比,配合 變壓器進(jìn)行PFC同時得到一個恒流輸出以驅(qū)動大功率白光LED。為達(dá)到較高的安全性,交流輸入和直流輸出采用光偶進(jìn)行隔離。
4、變壓器設(shè)計
磁性元件的設(shè)計對性能非常關(guān)鍵。首先根據(jù)相應(yīng)的場合和工作頻率選擇磁芯材料,我們選擇鐵氧體作為磁芯材料,因為鐵氧體的磁感應(yīng)強度比較大,較小的磁芯就可以提供較大的功率,同時也要滿足國際電工委員會(IEC)制定的標(biāo)準(zhǔn)。
然后是確定磁芯的尺寸,以滿足電源能提供的輸出功率要求,同時確定磁芯是否加氣隙,然后計算每個繞組所要的扎數(shù)。確定輸出電壓的精度是否滿足要求,繞組是 否適合所選擇的磁芯尺寸。然后繞制變壓器,在實驗階段,需要驗證工作時的電壓尖峰、交叉調(diào)整量、輸出精度和紋波、RFI等,如果需要的話需要反復(fù)修改,最 終要和FPGA控制部分相結(jié)合,達(dá)到設(shè)計的要求。
5、電源管理
對FPGA的供電,我們采用從變壓器輔助繞組引入電流對芯片進(jìn)行供電,而不需要額外的電源。簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),降低了成本。
四、總結(jié)
本文提出了基于FPGA的LED驅(qū)動設(shè)計方案,達(dá)到較高的效率和功率因數(shù),十分適合用作路燈、景觀以及家庭和工業(yè)照明。在固態(tài)照明呼聲越來越高的今天具有 廣闊的前景。此方案作為固態(tài)照明的實現(xiàn)方案,可以直接應(yīng)用到各種場合,且可以作為進(jìn)一步開發(fā)數(shù)字控制LED驅(qū)動芯片的實驗和驗證。