大熱的LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)，輕松實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目是基于PFC理論、電流環(huán)控制理論來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)帶PFC功能的專用數(shù)字LED驅(qū)動(dòng)，使用FPGA進(jìn)行控制，可以得到高的可靠性、傳輸簡(jiǎn)單性能指標(biāo)良好、控制方式先進(jìn)和外圍元件很少等優(yōu)點(diǎn)。為固態(tài)照明LED領(lǐng)域提供更可靠經(jīng)濟(jì)實(shí)用的照明驅(qū)動(dòng)。

一、設(shè)計(jì)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(zhǎng)足的進(jìn)步。在歐洲，他們專門制訂了COST五年行動(dòng)計(jì)劃，它提出新型光源要符合三個(gè)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(guó)有專家提出，半導(dǎo)體已在電子學(xué)方面完成了一場(chǎng)革命，第二場(chǎng)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(jì)劃提出的對(duì)新光源的要求，這樣，在國(guó)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(chǎng)。

對(duì)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(gè)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(guò)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(shí)，這種高次諧波也會(huì)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(lái)提高電源的質(zhì)量。

同時(shí)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(wú)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(diǎn)，數(shù)字電源越來(lái)越受到電源管理界的注意。

基于以上三個(gè)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(dòng)這個(gè)項(xiàng)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(jì)思路

當(dāng)電壓通過(guò)整流橋后，由H2模塊對(duì)輸入電壓波形進(jìn)行采樣;用一個(gè)Windowed ADC對(duì)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(shí)現(xiàn)PFC校正的功能。由于對(duì)LED的驅(qū)動(dòng)需要恒流，在反饋端，H1通過(guò)對(duì)電壓的取樣，達(dá)到了恒定輸出電流的目的，從而實(shí)現(xiàn)了LED恒流的專用驅(qū)動(dòng)。

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(huì)達(dá)到一個(gè)很好的控制方式。

圖 1 整體系統(tǒng)框圖

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、電壓環(huán)路的設(shè)計(jì)

從圖一我們可以看見(jiàn)，從輸出采樣的ADC產(chǎn)生了一個(gè)通過(guò)電壓環(huán)路補(bǔ)償器的電壓誤差信號(hào)ev[n],電壓補(bǔ)償器同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)u[n],它和輸入端采樣進(jìn)行的半周期的電壓正弦信號(hào)Vg(t)進(jìn)行相乘，為電流環(huán)路的補(bǔ)償產(chǎn)生一個(gè)參考電流。

電壓控制環(huán)路應(yīng)用簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度很快，它由一個(gè)基于PI的一個(gè)補(bǔ)償器和一個(gè)Windowed ADC組成。其輸入輸出特性見(jiàn)圖2，e[n]圍繞著Vref電壓波動(dòng)，當(dāng)輸出電壓小于設(shè)定的電壓時(shí)，e[n]為正，通過(guò)電壓補(bǔ)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(shí)，可以通過(guò)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(shí)為了得到更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，△VQ|e=0比其他的值大，為輸出確定一個(gè)可以接受的輸出紋波，當(dāng)振蕩超出其范圍的時(shí)候，e[n]就會(huì)其作用穩(wěn)定輸出電壓。

圖2 Delay-line based windowed ADC[!--empirenews.page--]

圖3為ADC的結(jié)構(gòu)框圖，它由兩個(gè)延遲線，一個(gè)快速存儲(chǔ)器和一個(gè)誤差解碼器組成。傳輸延遲單元由D觸發(fā)器組成，延遲時(shí)間的大小由其供電電壓決定。第一個(gè)延遲線有N+1個(gè)單元，其傳輸時(shí)間由Vref決定。另一個(gè)有N+M個(gè)單元，它的延遲時(shí)間和輸出PFC電壓成反比。以此來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓和電流的功能。

圖3 Windowed ADC

2、電流環(huán)路的設(shè)計(jì)

此電路環(huán)路主要是實(shí)現(xiàn)PFC的功能，同時(shí)對(duì)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(hào)u[n]進(jìn)行相乘，生成信號(hào)被傳送到另外一個(gè)Windowed ADC中作為基準(zhǔn)，同時(shí)這個(gè)Windowed ADC用來(lái)采樣輸入電流的大小，采樣進(jìn)來(lái)的值和基準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后生成ei[n]信號(hào)進(jìn)入電流環(huán)路補(bǔ)償器，來(lái)產(chǎn)生一個(gè)d[n]到DPWM(digital-pulse width modulator)，然后控制輸出的MOSFET管，形成一個(gè)回路來(lái)使電流跟隨電壓波形和對(duì)輸出電壓和電流起穩(wěn)定作用。

3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)中，我們從對(duì)交流電整流后，在switching converter這個(gè)模塊里面，我們采用反激式的開(kāi)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(duì)LED的可靠工作是一個(gè)很好的保證。反激式電路拓?fù)溆捎诰哂惺褂迷?、本身固有的效率比較高的特點(diǎn)，在功率比較低的場(chǎng)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(shí)得到一個(gè)恒流輸出以驅(qū)動(dòng)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(jì)

磁性元件的設(shè)計(jì)對(duì)性能非常關(guān)鍵。首先根據(jù)相應(yīng)的場(chǎng)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?yàn)殍F氧體的磁感應(yīng)強(qiáng)度比較大，較小的磁芯就可以提供較大的功率，同時(shí)也要滿足國(guó)際電工委員會(huì)(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(shí)確定磁芯是否加氣隙，然后計(jì)算每個(gè)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(shí)驗(yàn)階段，需要驗(yàn)證工作時(shí)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(jì)的要求。

5、電源管理

對(duì)FPGA的供電，我們采用從變壓器輔助繞組引入電流對(duì)芯片進(jìn)行供電，而不需要額外的電源。簡(jiǎn)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(dòng)設(shè)計(jì)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(lái)越高的今天具有廣闊的前景。此方案作為固態(tài)照明的實(shí)現(xiàn)方案，可以直接應(yīng)用到各種場(chǎng)合，且可以作為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)數(shù)字控制LED驅(qū)動(dòng)芯片的實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證。