LED驅(qū)動電源組合調(diào)光方案
另外,為了適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)和節(jié)電的需要,LED通常需要調(diào)光。調(diào)光電路的實(shí)現(xiàn),既節(jié)省電能,降低了浪費(fèi),同時,避免LED長期在超負(fù)荷狀態(tài)下工作,提高了LED的運(yùn)行效率和壽命。本文通過研究電力電子開關(guān)變換器和調(diào)光策略,分析設(shè)計(jì)LED在不同調(diào)光方式下的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)高效的組合調(diào)光策略。
1 Flyback 驅(qū)動電路分析
隔離型反激電路具有所用器件最少、成本低、功率密度大、電氣隔離、易實(shí)現(xiàn)多路輸出、提供耐壓保護(hù)等優(yōu)點(diǎn),適合150 W以下小功率電源裝置,而LED 照明一般是采用小功率的電源裝置。本文采用反激電路作為主電路,采用UC3842 作為控制芯片。UC3842 是一種固定頻率電流型控制芯片,外圍元件少,振蕩頻率最大可達(dá)500 kHz,控制簡單,外圍電路也比較成熟。電路原理圖如圖1所示。
圖1 Flyback 恒流驅(qū)動電路
LED 由于其陡峭的伏安特性,一般采用恒流驅(qū)動。本文采用雙環(huán)控制恒流輸出。如圖1,通過電流采樣電阻Rs將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號,與給定的Uref-i值進(jìn)行比較,通過PI調(diào)節(jié),經(jīng)過光耦隔離形成電流誤差信號作為內(nèi)電流環(huán)的給定,與開關(guān)電流進(jìn)行比較,再通過UC3842 內(nèi)部比較器形成PWM波,用以控制開關(guān)管的開斷,當(dāng)電流參考值恒定時,電路工作達(dá)到穩(wěn)態(tài)即恒流輸出。通過調(diào)節(jié)VR2可以改變Uref-i值,從而達(dá)到調(diào)光效果。另外,為了防止輸出過壓,在反饋環(huán)節(jié)還加了一個電壓環(huán),通過調(diào)整VR1改變輸出限壓值。圖中參考電壓Uref由TL431提供2.5 V的基準(zhǔn)電壓。
2 調(diào)光策略分析
LED的亮度是隨著正向電流IF的變化而呈現(xiàn)近似比例變化的,當(dāng)改變正向電流平均值時,相應(yīng)地也能改變光輸出的大小。常見的改變IF大小的有兩種方式,如圖2所示。
圖2 改變正向電流的兩種方式
在圖2(a)中,通過在不同時刻連續(xù)地調(diào)節(jié)流過LED的電流,來改變光通量輸出,流過LED的電流是連續(xù)的;在圖2(b)中,先給定一個Im值,通過給定不同的占空比Ddim控制電流,則流過LED的電流:
式中,Ton是在調(diào)光開關(guān)管一個周期Tdim內(nèi)的導(dǎo)通時間。這樣,通過調(diào)節(jié)調(diào)光占空比Ddim和Im,都可以達(dá)到調(diào)光效果。
根據(jù)改變電流方式的不同,其調(diào)光電路可相應(yīng)地分為模擬調(diào)光和PWM調(diào)光。
2.1 模擬調(diào)光
模擬調(diào)光方式可分為開關(guān)式幅值變化AM調(diào)光和線性調(diào)光,其電路控制原理圖如圖3。幅值變化調(diào)光如圖3(a),其一般有兩種方法:
① 固定參考電壓Uref-i的大小, 而改變采樣電阻Rs的大小。為減小系統(tǒng)功耗,Rs一般取1 Ω以下,而市場上1 Ω左右的電位器又比較少見; ②電流采樣電阻保持不變,線性改變Uref-i的大小,即電流參考值改變。這樣既可減少電阻上的功耗,又簡單方便。線性調(diào)光是將工作在放大區(qū)的功率管當(dāng)做動態(tài)電阻,如圖3(b)、(c)所示,分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種。此時主電路工作在恒壓模式,通過改變Q1的阻值來調(diào)節(jié)電路電流。模擬調(diào)光能夠避免調(diào)光時產(chǎn)生的噪聲,無閃爍現(xiàn)象,而且簡單方便。但是變換器始終處在連續(xù)工作狀態(tài),系統(tǒng)的損耗比較大;另一方面,模擬調(diào)光時LED的色溫、光效等光學(xué)特性會隨著電流變化而變化,在對色溫等要求嚴(yán)格的場合該方式受到限制。
圖3 模擬調(diào)光示意圖
2.2 PWM 調(diào)光
PWM調(diào)光能夠精確地控制流過LED的電流,調(diào)光范圍更寬,色溫不會發(fā)生漂移,而且LED驅(qū)動器的效率高,缺點(diǎn)是調(diào)光時容易產(chǎn)生噪聲。PWM調(diào)光頻率一般在200 Hz 以上,以避免產(chǎn)生LED閃爍等情況。調(diào)光方案如圖4,在輸出負(fù)載串接一開關(guān)管,通過單片機(jī)輸出PWM脈沖反復(fù)地接通和斷開LED電流來調(diào)節(jié)發(fā)光亮度。
圖4 PWM調(diào)光示意圖
圖5 調(diào)光PWM產(chǎn)生電路原理圖
PWM模塊由Microchip公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)PIC16F877A產(chǎn)生。單片機(jī)晶振為4 M,調(diào)光頻率fdim設(shè)為250 Hz。AD采集后的數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換作為占空比的給定值,單片機(jī)輸出的PWM波經(jīng)過TLP250放大后作為驅(qū)動調(diào)光MOS管的PWM信號。電路原理圖如圖5。
由于反激電路不能工作在空載狀態(tài),當(dāng)空載即輸出電流為0 時輸出電壓會很快竄到限壓值,所以進(jìn)行PWM 調(diào)光時的Im即電路的最大電流。在進(jìn)行PWM調(diào)光時,先調(diào)整電壓環(huán)和電流環(huán)使得電路的最大工作電流為額定電流Im,對Im進(jìn)行PWM調(diào)節(jié),則iLEDS=DdimIm。[!--empirenews.page--]
2.3 組合調(diào)光
將模擬調(diào)光和PWM調(diào)光結(jié)合起來,相互彌補(bǔ)不足,在既需要模擬調(diào)光也要求PWM調(diào)光的場合尤為適用。根據(jù)電路特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用,提出了結(jié)合兩種調(diào)光方式的調(diào)光方案。
(1)在PWM 調(diào)光的基礎(chǔ)上改變Im進(jìn)行混合調(diào)光。當(dāng)調(diào)光開關(guān)管Sdim斷開時輸出電壓為限壓值Uo-set,則在Sdim的開通時間內(nèi),輸出部分構(gòu)成一階零輸入響應(yīng)。LED 模型UO=Uturn-on+Rled×IO,則等效電路圖如圖6 所示,經(jīng)過DdimTdim的導(dǎo)通時間后,輸出電壓為:
設(shè)Ddim在0.3~1 范圍內(nèi)可調(diào),Uo-set取30 V,Uturn-on取25 V,fdim取250 Hz,輸出電容取2000 μF,Rled為7 Ω,則Uo﹥29 V。所以在Sdim開通時刻,Uo基本保持限壓值不變,電流為該限值下的最大值Im。此時調(diào)節(jié)電流環(huán)已不起作用,通過連續(xù)調(diào)節(jié)電壓環(huán)強(qiáng)制改變限壓值,從而改變Im以達(dá)到調(diào)光效果。
(2)第二種調(diào)光方案:將LED并聯(lián)兩路,一路用模擬調(diào)光,一路用PWM 調(diào)光。兩路調(diào)光示意圖如圖7 所示。Ⅰ路和Ⅱ路的輸出電壓都為Uo,則Ⅰ路通過模擬方式進(jìn)行調(diào)光;Ⅱ路的Im即在電壓Uo下的電流值,通過改變占空比改變流過Ⅱ路的電流,進(jìn)行調(diào)光。若兩路帶的負(fù)載一樣, 則Io=I1+I2≈(1+D)I1。
圖6 調(diào)光開光管閉合時輸出等效電
圖7 兩路調(diào)光示意圖
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
基于上述拓?fù)涞姆治觯O(shè)計(jì)了一個輸入電壓Uin=36~60 VDC,輸出電流Io=0.7 A,輸出電壓Uo=30V左右的調(diào)光電路,電路工作頻率為50 kHz,能在30%-100%寬范圍內(nèi)調(diào)光。實(shí)驗(yàn)的負(fù)載采用額定電流為30 mA的小LED 燈8串16并聯(lián)構(gòu)成,最大電流可達(dá)到1 A。
圖8 給出了恒流輸出和紋波波形,圖9和圖10分別是模擬調(diào)光和PWM 調(diào)光時的驅(qū)動波形。圖11是三種方式的效率曲線,由圖11可知,在一定輸出電流范圍內(nèi),PWM調(diào)光的效率最高,模擬調(diào)光次之,組合調(diào)光效率有所降低,但都能保持在85%以上。
圖8 當(dāng)Uin=48 V,Io=0.45 A恒流輸出時輸出電流及其紋波
圖9 當(dāng)Uin=48 V,Io=0.45 A模擬調(diào)光時主開關(guān)管Uds和Ugs波形
圖10 當(dāng)Uin=48 V,Io=0.45 A PWM調(diào)光時主開關(guān)管和調(diào)光開關(guān)管Ugs波形
圖11 三種調(diào)光方式的效率對比曲線
4 結(jié)論
本文采用反激變換器電路拓?fù)?,設(shè)計(jì)了一個LED驅(qū)動電源與組合調(diào)光電路。分析總結(jié)了幾種LED調(diào)光方法,通過實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)、結(jié)果分析,該電路實(shí)現(xiàn)了模擬、PWM以及組合調(diào)光,調(diào)光效率在86%以上,紋波在4%以下,開關(guān)管電壓應(yīng)力在允許范圍之內(nèi),能實(shí)現(xiàn)高效可靠的LED照明調(diào)光。