基于C8051F3xx的全數(shù)字PFC可控硅調(diào)光驅(qū)動(dòng)高亮LED解決方案

1、 引言
　　歐盟、美國、加拿大及我國臺(tái)灣地區(qū)等多個(gè)國家和地區(qū)己經(jīng)發(fā)布了禁用白熾燈的政策和明間表，到2012年幾乎所有發(fā)達(dá)國家都將禁售白熾燈。 高亮LED作為新型高效固體光源，具有壽命長、能效高、可靠性高、色彩豐富、微型化、體積小、重量輕、電壓低、電流小、亮度高和發(fā)光響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，它將逐步替代熒光燈、白熾燈，成為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的節(jié)能、環(huán)保型照明產(chǎn)品，它將引發(fā)第三次照明革命。在詳細(xì)分析了市場后，我們世強(qiáng)電訊在此推出基于C8051F3xx全數(shù)字PFC可控硅調(diào)光驅(qū)動(dòng)高亮LED的解決方案。

2、 高亮LED的基本特性

　　高亮LED的基本特性分別如圖1和圖2所示。從圖1高亮LED電壓-電流曲線圖分析可以得出：高亮LED在電壓小于2.5V的時(shí)候是不導(dǎo)通的的；而當(dāng)電壓大于2.5V時(shí)，電流隨電壓的升高呈指數(shù)級(jí)上升，說明高亮LED是一種電壓敏感型的元器件。從圖2高亮LED電流-亮度曲線圖分析可以得出：電流與亮度的關(guān)系基本上是屬于線性關(guān)系。因此，要做到無級(jí)調(diào)光，就必須很好地控制電流的線性度。

圖1 高亮LED電壓-電流曲線圖

圖2 高亮LED電流-亮度曲線圖

　3、 PFC原理與LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)

3.1 PFC原理

　　PFC表示功率因數(shù)校正（Power Factor Correction），它的工作原理如下：主電路的輸出電流（或電壓）和基準(zhǔn)電流（或電壓）比較后，輸入給電流（或電壓）誤差放大器CA1，整流電壓檢測值和VA的基本電流（或電壓）信號(hào)共同加到乘法器M的輸入端，乘法器M的輸出則作為電流反饋控制的基準(zhǔn)信號(hào)，與開關(guān)電流檢測值比較后，經(jīng)過電流誤差放大器CA2加到PWM及驅(qū)動(dòng)器，以控制開關(guān)的通斷，從而使輸入電流的波形與整流電壓的波形基本一致，使電流諧波大為減少，提高了輸入端功率因數(shù)。

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　　常用的控制AC-DC開關(guān)變換器實(shí)現(xiàn)PFC的方法基本上有三種：即電流峰值控制，電流滯環(huán)控制，以及平均電流控制。表1為常用的三種PFC控制方法。

表1 常用的三種PFC控制方法

　　由于目前市場上大多數(shù)的LED都是需要直流電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此必須有一個(gè)很好的驅(qū)動(dòng)電源，才能發(fā)揮出LED的良好的特性。LED驅(qū)動(dòng)方式有恒流式和恒壓式，這兩種方法有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)：（1）、恒流驅(qū)動(dòng)輸出的電流是恒定的，易保證LED亮度的均勻性，但是輸出的直流電壓卻隨著負(fù)載大小不同在一定范圍內(nèi)變化，而恒壓驅(qū)動(dòng)輸出的電流卻隨著負(fù)載的增減而變化，其不易保證LED亮度均勻性；（2）、恒流驅(qū)動(dòng)由于其有最大承受電流及電壓值，所以需要限制LED的使用個(gè)數(shù)，而恒壓驅(qū)動(dòng)時(shí)為了使每串穩(wěn)壓電路驅(qū)動(dòng)LED顯示亮度均勻，需要加上合適的電阻才可以；（3）、恒流不怕負(fù)載短路卻嚴(yán)禁負(fù)載完全開路，而恒壓不怕負(fù)載開路卻嚴(yán)禁負(fù)載完全短路；（4）、恒流驅(qū)動(dòng)LED是很理想的，但是價(jià)格比較高。對(duì)這兩種方法比較后，在本方案中我們是使用恒流方式驅(qū)動(dòng)LED的。

4、 常用調(diào)光方法、可控硅特性及其調(diào)光難點(diǎn)

4.1 常用調(diào)光方法

　　目前市場上常用的調(diào)光方法有：

　?、佟⒚}沖寬度調(diào)制PWM調(diào)光方法：這種調(diào)光控制法是利用調(diào)節(jié)高頻逆變器中功率開關(guān)的脈沖占空比，從而實(shí)現(xiàn)燈輸出功率的調(diào)節(jié)。

　　②、改變半橋逆變器供電電壓調(diào)光法；通過改變半橋逆變器的供電電壓，從而改變輸出功率達(dá)到調(diào)光的效果。

　?、?、脈沖調(diào)頻調(diào)光法：如果高頻交流電子鎮(zhèn)流器的開關(guān)工作頻率增加，則鎮(zhèn)流電感的阻抗增加，這樣流過鎮(zhèn)流電感的電流就會(huì)下降，導(dǎo)致流過燈負(fù)載的電流下降，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光；

　?、堋⒚}沖調(diào)相調(diào)光法：利用調(diào)節(jié)半橋逆變器中兩個(gè)功率開關(guān)管的導(dǎo)通相位的方法來調(diào)節(jié)輸出功率，從而達(dá)到調(diào)光的目的。

　　⑤、可控硅相控調(diào)光法：由于可控硅相控（斬波法）調(diào)光具有體積小，設(shè)備質(zhì)量輕，價(jià)格合理和調(diào)光功率控制范圍的優(yōu)點(diǎn)，所以可控硅相控調(diào)光法是目前使用最為廣泛的調(diào)光方法。應(yīng)用可控硅相控工作原理，通過控制可控硅的導(dǎo)通角，將電網(wǎng)輸入的正弦波電壓斬掉一部分，以降低輸出電壓的平均值，達(dá)到控制燈電路供電電壓，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光?？煽毓柘嗫卣{(diào)光對(duì)照明系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)速度快，調(diào)光精度高，調(diào)光參數(shù)可以分時(shí)段實(shí)時(shí)調(diào)整，因此在本方案中我們使用可控硅進(jìn)行調(diào)光，可以精確地控制輸出功率。

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4.2 可控硅原理及特性

　　可控硅的原理及特性：標(biāo)準(zhǔn)的雙向可控硅既可被柵極的正向電流觸發(fā)，也能被柵極的反向電流觸發(fā)，它可以在四個(gè)象限內(nèi)導(dǎo)通。當(dāng)柵極電壓達(dá)到門限值ＶＧＴ且柵電流達(dá)到門限值ＩＧＴ時(shí)，可控硅被觸發(fā)導(dǎo)通。當(dāng)觸發(fā)電流的脈寬較窄時(shí)，則應(yīng)提高觸發(fā)電平。當(dāng)負(fù)載電流超過可控硅的閂電流ＩＬ時(shí)，即使此時(shí)的柵電流減為零，可控硅仍能維持導(dǎo)通狀態(tài)。在負(fù)載電流為零時(shí)，最好用反相的直流或單極性脈沖的（柵極）電流觸發(fā)。

　　可控硅相控?cái)夭ㄔ砣鐖D3所示：在正弦波交流過零后的某一相位，在可控硅的柵極上加一正觸發(fā)脈沖，使可控硅觸發(fā)導(dǎo)能，根據(jù)可控硅的開關(guān)特性，這一導(dǎo)通將維持到正弦波的正半周結(jié)束。所以在正弦波的正半周中，范圍內(nèi)可控硅不導(dǎo)通，這一范圍叫做可控硅的控制角；而在的相位區(qū)間可控硅導(dǎo)通，這一范圍為可控硅的導(dǎo)通角，常用表示。同樣，在正弦交流電的負(fù)半周，對(duì)處于反向聯(lián)接的另一只可控硅，在相位角 時(shí)施加觸發(fā)脈沖，使其導(dǎo)通。如此周而復(fù)始，對(duì)正弦波的每一半周期控制其導(dǎo)通，獲得相同的導(dǎo)通角。如果改變觸發(fā)脈沖的觸發(fā)相位，即改變可控硅導(dǎo)通角（或控制角）的大小。

4.3 可控硅調(diào)光的難點(diǎn)以及我們的應(yīng)對(duì)策略

　　目前可控硅調(diào)光的難點(diǎn)有：例如導(dǎo)通角檢測不準(zhǔn)、調(diào)光不夠快速以及穩(wěn)定、低壓無法啟動(dòng)、功率因數(shù)低、功率因數(shù)不穩(wěn)定等問題。

　　我們的應(yīng)對(duì)策略是：采用軟硬件給合的方法進(jìn)行導(dǎo)通角的檢測，可以精確的檢測導(dǎo)通角，導(dǎo)通角的誤差可以達(dá)到0.5%以內(nèi)；利用快速的PWM更新速度和精度，可以使輸入與輸出很好地對(duì)應(yīng)，達(dá)到調(diào)光快速性以及精確性即穩(wěn)定性；穩(wěn)定可靠的輔助電源設(shè)計(jì)可以使系統(tǒng)在導(dǎo)通角為最小的時(shí)候直接起動(dòng)；功率因數(shù)穩(wěn)定問題通過優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件來達(dá)到，且功率因數(shù)高。

5、 方案實(shí)現(xiàn)

5.1 硬件描述

圖4 原理框圖

　　本方案的原理框圖如圖4所示：首先利用可控硅對(duì)220V交流輸入進(jìn)行斬波，再經(jīng)過EMI濾波器、整流橋后，輸入電壓經(jīng)分壓后輸入到MCU。通過控制MOSFET的占空比來控制變壓器的輸出，即輸出電壓的大小和LED電流的大小。利用光耦對(duì)LED的電壓和電流進(jìn)行隔離采樣，MCU通過檢測到導(dǎo)通角、輸入電壓、輸入電流和LED電壓、電流的采樣反饋信號(hào)共同進(jìn)行調(diào)整MOSFET的占空比，從而達(dá)到LED燈的無級(jí)調(diào)光。電路結(jié)構(gòu)拓?fù)淇驁D如圖5所示。

圖5 電路結(jié)構(gòu) [!--empirenews.page--]

5.2 軟件流程

　　由于Silabs的MCU兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，匯編指令和傳統(tǒng)的8051單片機(jī)指令一樣，同時(shí)支持目前國內(nèi)使用最廣的Keil C仿真軟件，只要有過51單片機(jī)編程經(jīng)驗(yàn)或使用過Keil C的人，就可以很輕松的上手C8051F3xx系列的編程工作，而不需要事前投入大量時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)。

圖6 軟件流程框圖

　　本方案使用C語言編程，程序可移植性強(qiáng)。軟件流程框圖如圖6所示：首先是進(jìn)行變量的初始化、MCU時(shí)鐘、I/O口和ADC等的初始化；其次是進(jìn)行軟起動(dòng)，減少起動(dòng)時(shí)的沖擊電流，有效提高高亮LED的壽命，然后是進(jìn)行環(huán)路控制，通過采樣輸入電壓、輸入電流、導(dǎo)通角、輸出電流和輸出電壓一起來控制主功率管的PWM的占空比，通過優(yōu)化控制來達(dá)到快速穩(wěn)定的調(diào)光效果。方案軟件中斷流程框圖如圖7所示。

圖7 中斷流程框圖

6、 性能特點(diǎn)

　　本方案實(shí)現(xiàn)在輸入電壓為230ACV±15%、50Hz、功率為8~12W的驅(qū)動(dòng)能力；在導(dǎo)通角為15%～80%范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)1%~100%的快速、均勻和穩(wěn)定地調(diào)光；在滿負(fù)載時(shí)功率因數(shù)為0.95以上；穩(wěn)定可靠的輔助電源設(shè)計(jì)能在導(dǎo)通角最小時(shí)直接起動(dòng)系統(tǒng)等優(yōu)越性能。

7、 本文小結(jié)

　　本文詳細(xì)介紹了世強(qiáng)電訊推出的基于C8051F3xx全數(shù)字PFC可控硅調(diào)光驅(qū)動(dòng)高亮LED解決方案。本方案用單芯片控制實(shí)現(xiàn)調(diào)光和PFC功能，具有快速有效的過流過壓保護(hù)，隔離驅(qū)動(dòng)，良好的EMI特性，性價(jià)比高等優(yōu)勢。