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LED驅(qū)動(dòng)電源組合調(diào)光設(shè)計(jì)方案

作者: 時(shí)間:2017-10-21 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  照明是與人類生活息息相關(guān)的一個(gè)領(lǐng)域,也是消耗能源的重要方面,約占世界總耗能的20%。LED(Light Emitting Diode)作為新型高效固體光源,由于高效、環(huán)保、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用在室內(nèi)外照明、景觀設(shè)計(jì)、指示燈等方面。LED 照明迅速成為最熱門的第四代電光源之一,已成為未來(lái)照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201710/367026.htm

  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(shí),避免LED長(zhǎng)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(guò)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(dòng)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(jiǎn)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(dòng)電路

  LED 由于其陡峭的伏安特性,一般采用恒流驅(qū)動(dòng)。本文采用雙環(huán)控制恒流輸出。如圖1,通過(guò)電流采樣電阻Rs將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),與給定的Uref-i值進(jìn)行比較,通過(guò)PI調(diào)節(jié),經(jīng)過(guò)光耦隔離形成電流誤差信號(hào)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(guò)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(shí),電路工作達(dá)到穩(wěn)態(tài)即恒流輸出。通過(guò)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(guò)壓,在反饋環(huán)節(jié)還加了一個(gè)電壓環(huán),通過(guò)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(shí),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(guò)在不同時(shí)刻連續(xù)地調(diào)節(jié)流過(guò)LED的電流,來(lái)改變光通量輸出,流過(guò)LED的電流是連續(xù)的;在圖2(b)中,先給定一個(gè)Im值,通過(guò)給定不同的占空比Ddim控制電流,則流過(guò)LED的電流:

  

  式中,Ton是在調(diào)光開關(guān)管一個(gè)周期Tdim內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間。這樣,通過(guò)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(chǎng)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(jiǎn)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(dòng)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(shí)主電路工作在恒壓模式,通過(guò)改變Q1的阻值來(lái)調(diào)節(jié)電路電流。模擬調(diào)光能夠避免調(diào)光時(shí)產(chǎn)生的噪聲,無(wú)閃爍現(xiàn)象,而且簡(jiǎn)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(shí)LED的色溫、光效等光學(xué)特性會(huì)隨著電流變化而變化,在對(duì)色溫等要求嚴(yán)格的場(chǎng)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(guò)LED的電流,調(diào)光范圍更寬,色溫不會(huì)發(fā)生漂移,而且LED驅(qū)動(dòng)器的效率高,缺點(diǎn)是調(diào)光時(shí)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(guò)單片機(jī)輸出PWM脈沖反復(fù)地接通和斷開LED電流來(lái)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(guò)轉(zhuǎn)換作為占空比的給定值,單片機(jī)輸出的PWM波經(jīng)過(guò)TLP250放大后作為驅(qū)動(dòng)調(diào)光MOS管的PWM信號(hào)。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(shí)輸出電壓會(huì)很快竄到限壓值,所以進(jìn)行PWM 調(diào)光時(shí)的Im即電路的最大電流。在進(jìn)行PWM調(diào)光時(shí),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(duì)Im進(jìn)行PWM調(diào)節(jié),則iLEDS=DdimIm。

  2.3 組合調(diào)光

  將模擬調(diào)光和PWM調(diào)光結(jié)合起來(lái),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(chǎng)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。

 ?。?)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(shí)輸出電壓為限壓值Uo-set,則在Sdim的開通時(shí)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(guò)DdimTdim的導(dǎo)通時(shí)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(shí)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(shí)調(diào)節(jié)電流環(huán)已不起作用,通過(guò)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。

 ?。?)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(guò)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(guò)改變占空比改變流過(guò)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(shí)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(gè)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(shí)的驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)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(duì)比曲線

  4 結(jié)論

  本文采用反激變換器電路拓?fù)洌O(shè)計(jì)了一個(gè)與組合調(diào)光電路。分析總結(jié)了幾種LED調(diào)光方法,通過(guò)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。



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