大功率可調(diào)光LED驅(qū)動的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王通++梁曉娟

摘 要：設(shè)計(jì)一款基于UC3844、HV9910芯片的可進(jìn)行PWM調(diào)光的50 W LED恒流驅(qū)動電路。其中驅(qū)動電源的功率因素校準(zhǔn)功能通過單級反激式PFC電路來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了LED恒流源的電流輸出，并且通過STM單片機(jī)對LED的調(diào)光功能進(jìn)行控制。

關(guān)鍵詞：LED驅(qū)動；PWM調(diào)光；功率校正；降壓恒流

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）05-00-02

0 引 言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大功率LED已廣泛用于各類照明場所，LED的調(diào)光控制技術(shù)也隨之迅速發(fā)展[1，2]。根據(jù)LED特有的電壓電流特性，現(xiàn)在LED照明基本采用恒流驅(qū)動方式。目前LED調(diào)光的方式主要有三種：線性調(diào)光、可控硅調(diào)光、PWM調(diào)光。

線性調(diào)光基于分壓原理線性改變流過LED的電流，應(yīng)用簡單，但效率偏低，而且在調(diào)節(jié)LED電流的同時(shí)，會引起光譜偏移，同時(shí)會因?yàn)榉謮寒a(chǎn)生過多的熱量?？煽毓枵{(diào)光是應(yīng)用切向原理通過調(diào)節(jié)電源的輸出功率來實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能，這種方式會出現(xiàn)大量諧波進(jìn)而造成電磁干擾，由于不同的可控硅維持電流不同，這種不穩(wěn)定輸出加到LED上時(shí)就會產(chǎn)生閃爍。PWM調(diào)光是通過控制LED驅(qū)動電流的占空比來改變LED的平均電流值[3]。在脈沖周期內(nèi)，其輸出電流只有兩種狀態(tài)：最大額定工作電流和零電流。由于流過LED的工作電流不變，因而不會引起色溫的變化。PWM調(diào)光可以保證LED的色溫恒定，驅(qū)動器的效率較高，并且能夠進(jìn)行精確控制，但缺點(diǎn)是需要MCU控制器。

本文研究和設(shè)計(jì)了基于UC3842、HV9910芯片的可進(jìn)行PWM調(diào)光的LED恒流驅(qū)動電路，并且設(shè)計(jì)了一款50 W功率的LED驅(qū)動進(jìn)行驗(yàn)證。

1 LED驅(qū)動器設(shè)計(jì)

可調(diào)光LED驅(qū)動器硬件電路如圖1所示?？烧{(diào)光LED驅(qū)動器硬件電路包含四部分：EMI濾波器、UC3842單級PFC電路、HV9910降壓恒流電路、STM 8調(diào)光系統(tǒng)電路。

1.1 EMI濾波器

EMI濾波器的作用主要是削弱干擾源的能量，切斷噪聲耦合路徑，提高設(shè)備對電磁干擾的抵抗能力，實(shí)質(zhì)上是由串聯(lián)電感、并聯(lián)電容和必要的串并聯(lián)電阻構(gòu)成的無源低通濾波器[4]。干擾主要分為共模干擾和差模干擾。EMI濾波器組成如圖2所示，前段為交流輸入保護(hù)電路，其中，F(xiàn)U是保險(xiǎn)絲、RT是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器、RV是壓敏電阻器。圖中電容C1、C2 和C5 、C6 分別為輸入和輸出端共模電容，用來濾除共模干擾，C3、C4為差模電容，用來濾除差模干擾，L為共模扼流圈，R為泄放電阻，可將C3上積累的電荷泄放掉，避免因電荷積累而影響濾波特性。

圖1 驅(qū)動器硬件電路

圖2 EMI濾波器

1.2 UC3842單機(jī)PFC恒壓電路

UC3842是一種電流控制型脈寬調(diào)制器。其在輸入端直接用流過輸出電感線圈電流的信號與誤差放大器輸出信號進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化，以達(dá)到功率因數(shù)校正的目的[5]。

其應(yīng)用實(shí)例如圖3所示，60 W反激式恒壓電路，輸入接EMI濾波器輸出端，輸出為12 V/5 A，初級電感量為370μH，初級匝數(shù)為40 T，次級匝數(shù)為5 T，開關(guān)頻率為100 kHz。其中啟動電路由R105 和C103 構(gòu)成，C103 經(jīng)過R105 充電到16 V時(shí)，UC3842 有輸出信號， 使MOS 管Q1導(dǎo)通，T1的電流通過電阻R4檢測并與UC3842 內(nèi)部提供的1 V 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到這一電平時(shí)，開關(guān)管Q1關(guān)斷，所有變壓器的繞組極性反向，輸出整流二極管正向偏置，存儲于T1中的能量傳輸?shù)捷敵鲭娙萜髦衃6]。啟動結(jié)束后， 輸出電壓信號經(jīng)光耦回送到誤差放大器的反向端與UC3842內(nèi)部的25 V基準(zhǔn)電壓作比較來調(diào)整驅(qū)動脈沖寬度，從而改變輸出電壓以實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的控制。

1.3 HV9910恒流電路

HV9910為LED驅(qū)動電源驅(qū)動IC，內(nèi)部有9～250 V DC輸入電壓穩(wěn)定器，不需要額外電源，僅有單機(jī)輸入電壓提供驅(qū)動器的工作電源，如圖4所示。同時(shí)內(nèi)部有2%精密參考電壓，可以精確的控制流過LED的電流，且含有斷開電路時(shí)需要的FET驅(qū)動電路，當(dāng)輸出短路或者過電壓時(shí)，可以自動斷開LED對地路徑并縮短控制電路的反應(yīng)時(shí)間[7]。HV9910是目前應(yīng)用中高壓部分常見的IC，其效率超過92%，而且可以減少相關(guān)元器件的數(shù)量，降低系統(tǒng)成本。它可以將85～265 V AC或者8～450 V DC電壓源轉(zhuǎn)換成恒流源，實(shí)現(xiàn)對LED串地供電。

其中引腳ROSC上連接的電阻ROSC決定了振蕩器的工作頻率，有公式：

fosc（kHz）=25 000/[ROSC（kΩ）+22]

圖4中所示引腳LD和PWM-D都連到引腳VDD，調(diào)光功能未利用，芯片可實(shí)現(xiàn)線性和PWM調(diào)光兩種方式。

實(shí)現(xiàn)線性調(diào)光，可通過在引腳LD接電位器（連接到VDD與地之間，滑動觸頭連接到引腳LD），并在LD上施加0～250 mV的控制電壓來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)LD上輸入控制電壓時(shí)，引腳CS內(nèi)部設(shè)置的250 mV門限電壓就不再起作用。

實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光可在PWM引腳輸入PWM信號來實(shí)現(xiàn)，PWM信號可通過控制電路實(shí)現(xiàn)功能，控制電路調(diào)光范圍可達(dá)0～100%，此時(shí)LED亮度正比于PWM占空比。

設(shè)電感峰峰值紋波電流為ΔIp-p的影響，流過LED的電流為ILED，則RCS的值有公式：

1.4 調(diào)光系統(tǒng)

芯片的PWM-D引腳為PWM調(diào)光輸入引腳，在該引腳加入脈沖寬度可變的PWM信號即可調(diào)節(jié)流過LED的電流，該設(shè)計(jì)中采用MCU（微控制器）產(chǎn)生PWM信號進(jìn)行控制[8，9]。在PWM調(diào)光模式下，LED流過的電流有兩種狀態(tài)：零電流和設(shè)定的額定輸出電流[10]。當(dāng)PWM-D引腳輸入電壓小于0.8 V時(shí)，芯片處于停滯狀態(tài)；當(dāng)PWM-D輸入電壓大于2 V時(shí)，芯片處于正常工作狀態(tài)。本設(shè)計(jì)采用STM單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號對電路進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能[11]。

圖4 HV9910應(yīng)用電路

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5為繪制的輸入電壓Vin與功率因數(shù)PF關(guān)系折線圖，從圖中可以看出兩者之間的大致趨勢為隨著輸入電壓的變大，功率因數(shù)PF的值降低。在輸入電壓為85 V時(shí)，PF值為0.98；輸入電壓為180 V時(shí)，PF值降低為0.945；達(dá)到最大輸入電壓值260 V時(shí)，PF值變?yōu)?.91，由此看出該設(shè)計(jì)系統(tǒng)可保持較理想的功率因數(shù)校正效果，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖6為繪制的輸入電壓與樣機(jī)效率的關(guān)系折線圖，圖中可看出其大致趨勢為隨著輸入電壓的變大，效率的值增大。輸入電壓為85 V時(shí)，效率值為0.845；輸入電壓為180 V時(shí)，效率值為0.86；達(dá)到最大輸入電壓值260 V時(shí)，效率值為0.872，由此可看出樣機(jī)可保持理想的效率值，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求

圖5 PF與輸入電壓測試曲線

圖6 效率與輸入電壓測試曲線

3 結(jié) 語

根據(jù)LED調(diào)光控制技術(shù)的發(fā)展趨勢和LED特有的電壓電流特性，本文研究和設(shè)計(jì)了基于UC3842、HV9910芯片的可進(jìn)行PWM調(diào)光的LED恒流驅(qū)動電路，并用50 W功率的LED驅(qū)動進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明該設(shè)計(jì)系統(tǒng)可保持較理想的功率因數(shù)校正效果和效率值。

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