LED照明用恒流電源的實(shí)現(xiàn)方案

一、方案比較與選擇

　　1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案

　　方案一：采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率因數(shù)校正電路，優(yōu)點(diǎn)是將功率因數(shù)校正與電源變換器合二為一，可以大大減少電路的損耗，提高電路的整體效率，缺點(diǎn)是應(yīng)用在反激式電路的有源功率因數(shù)校正控制芯片種類較少，且電路比較復(fù)雜，很難設(shè)計(jì)與單片機(jī)合適的接口電路，不容易使用單片機(jī)進(jìn)行控制。

　　方案二：將功率因數(shù)校正電路與主控電路分開，采用Boost 型的功率因數(shù)校正電路后接電源變換器的方案，優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并不涉及單片機(jī)對(duì)功率因數(shù)校正電路的控制，只需使功率因數(shù)校正部分輸出一個(gè)穩(wěn)定的電壓即可，缺點(diǎn)是會(huì)一定程度上降低設(shè)計(jì)的整體效率。

　　鑒于本題要求步進(jìn)調(diào)壓的功能，需要單片機(jī)對(duì)PWM控制芯片有一個(gè)良好而穩(wěn)定的控制，故選擇方案二。

　　2 電源變換器方案

　　方案一：采用半橋變換電路，優(yōu)點(diǎn)是高頻變壓器利用率高，傳輸功率大，電路效率很高，缺點(diǎn)是電路較復(fù)雜，且有直通危險(xiǎn)。

　　方案二：采用單端反激變換電路，優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是高頻變壓器利用率低，需要留有氣隙，電路效率不高。

　　鑒于本題要求最大負(fù)載只有10 個(gè)1W 的led，傳輸功率較小，故采用方案二，即反激式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　3 閉環(huán)反饋控制方案

　　方案一：采用軟件閉環(huán)反饋控制，即使用單片機(jī)進(jìn)行各參數(shù)的采樣，然后直接由單片機(jī)對(duì)PWM控制芯片進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)占空比。優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是反饋回路會(huì)受到采樣精度、采樣速度、單片機(jī)運(yùn)算速度等因素的影響，使反饋系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。

　　方案二：采用硬件閉環(huán)反饋控制，即使用硬件電路構(gòu)建反饋電路，由PWM控制芯片自身根據(jù)反饋信號(hào)調(diào)節(jié)占空比，而單片機(jī)對(duì)PWM控制芯片只是進(jìn)行輔助調(diào)整。優(yōu)點(diǎn)是反饋速度快，調(diào)節(jié)精度高，缺點(diǎn)是易受外部干擾。

　　4 有源功率因數(shù)校正方案

　　方案一：采用UC3854作為有源功率因數(shù)校正電路的主控芯片。優(yōu)點(diǎn)是功率因數(shù)校正系數(shù)可達(dá)99.5%，缺點(diǎn)是外圍電路非常復(fù)雜且調(diào)試?yán)щy，方案二：采用MC33260作為有源功率有源功率因數(shù)校正電路的主控芯片。優(yōu)點(diǎn)是外圍電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是功率因數(shù)校正率與UC3854相比略低。

　　220VAC經(jīng)工頻變壓器降壓為36VAC，經(jīng)開機(jī)沖擊電流抑制電路輸入到功率因數(shù)校正電路中，再經(jīng)高頻隔離變壓器給串聯(lián)在一起的LED燈供電，在LED燈處分別進(jìn)行電壓、電流采樣，返回給PWM控制芯片和單片機(jī)，由單片機(jī)給定基準(zhǔn)電壓來控制PWM控制芯片，進(jìn)而達(dá)到控制LED燈恒流可調(diào)的目的。

　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

　　二、電路與程序設(shè)計(jì)

　　1 電源變換器主回路與器件選擇

　　PWM 控制芯片采用SG3525。SG3525 的主要特點(diǎn)是：輸出級(jí)采用推挽輸出，雙通道輸出，占空比0 - 50%可調(diào)。每一通道的驅(qū)動(dòng)電流最大值可達(dá)200mA,灌拉電流峰值可達(dá)500mA。

　　SG3525 的1、2 引腳分別為內(nèi)部誤差放大器的反相輸入端和同相輸入端，反相輸入端接收反饋的電壓信號(hào)，同相輸入端為給定的電壓基準(zhǔn)，一般接在16 引腳電壓基準(zhǔn)的分壓上，由于題目要求恒流輸出時(shí)電流步進(jìn)可調(diào)，故同相輸入端接單片機(jī)DAC 模塊產(chǎn)生的參考電壓。

　　負(fù)載的電流采樣由串聯(lián)在LED 負(fù)載與地之間的采樣電阻完成，經(jīng)一級(jí)跟隨、一級(jí)同相放大之后分別給單片機(jī)和PWM控制芯片；電壓采樣由負(fù)載和電流采樣電阻上的電壓分壓完成，經(jīng)一級(jí)跟隨分別給單片機(jī)和PWM 控制芯片。為完成恒壓與恒流模式的切換，分別在電壓采樣回路與電流采樣回路與PWM 控制芯片間各加入一個(gè)N 溝道MOSFET 作為電子開關(guān)，完成切換。為保證反饋的穩(wěn)定性在MOSFET 后再加一級(jí)跟隨后將反饋信號(hào)傳遞給PWM 控制芯片。

圖2 PWM 控制模塊

2 控制電路與控制程序設(shè)計(jì)

　　由于本設(shè)計(jì)的控制部分并不需要很大的計(jì)算量，對(duì)計(jì)算速度的要求也不是很高，但需要ADC 與DAC 模塊進(jìn)行電壓與電流的采樣和對(duì)PWM 控制芯片的控制，因此選用C8051F020單片機(jī)作為核心處理芯片，它擁有高速8051 微控制器內(nèi)核，8 個(gè)12 位ADC和2 個(gè)12 位DAC，完全可以滿足設(shè)計(jì)的需求。

　　由于本LED 恒流電源工作時(shí)絕大部分時(shí)間處于穩(wěn)定狀態(tài)，且對(duì)反應(yīng)速度沒有過快要求，因此并不需要對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行同時(shí)的采樣，而可以分別采樣，模式切換和基準(zhǔn)電壓的調(diào)整也不需在中斷服務(wù)中完成，只有步進(jìn)調(diào)整電流的按鍵程序需要在中斷服務(wù)中完成。

　　3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

　　過壓保護(hù)電路并不是單獨(dú)設(shè)計(jì)的，而是整合在電流控制電路中，由恒流控制回路與恒壓控制回路的切換完成，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到負(fù)載上的電壓高于36V 時(shí)，單片機(jī)控制將恒流控制回路切換為恒壓控制回路，將負(fù)載的電壓控制在略高于36V，當(dāng)再次檢測(cè)到負(fù)載電流降低到設(shè)定的電流以下時(shí)，重新將恒壓模式切換為恒流模式，達(dá)到過壓保護(hù)的目的。

圖3 控制程序流程圖

4 功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)

　　選用小功率功率因數(shù)校正芯片MC33260，它工作在電流臨界模式。MC33260應(yīng)用簡(jiǎn)單可靠。通過電流檢測(cè)和電壓反饋，通過PI調(diào)節(jié)來保持電壓恒定。通過對(duì)開關(guān)管的PWM控制來得到所需要電壓。可實(shí)現(xiàn)0.998的功率因數(shù)校正和輸出穩(wěn)定直流電壓的功能。

圖4 功率因數(shù)校正模塊

　　5 自動(dòng)調(diào)光電路設(shè)計(jì)，開機(jī)沖擊電路與EMI抑制電路設(shè)計(jì)

　　自動(dòng)調(diào)壓電路采用光敏電阻作為感光元件，利用比較強(qiáng)將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為高低電平信號(hào)，使用單片機(jī)內(nèi)置的ADC將這個(gè)電壓信號(hào)采回單片機(jī)，當(dāng)光照強(qiáng)度較高時(shí)，單片機(jī)控制切換為恒流模式，設(shè)置的負(fù)載電流值為100mA，使LED的亮度隨光照強(qiáng)度的增大而減少。

　　開機(jī)沖擊電路采用熱敏電阻串聯(lián)在電源輸入端，溫度較低時(shí)電阻很大，隨著電阻發(fā)熱溫度升高，電阻逐漸變小，達(dá)到抑制開關(guān)沖擊電流過大的目的。

　　EMI抑制電路是利用電感和電容的特性，使平率為50Hz左右的交流電可以順利通過濾波器，但高于50Hz以上的高頻干擾雜波被濾波器濾除，這就使開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻諧波被濾掉而不會(huì)污染電網(wǎng)。

圖5 開機(jī)沖擊電流和EMI抑制模塊

　　三、理論分析與計(jì)算

　　1 恒流控制方法和參數(shù)計(jì)算

　　將一個(gè)電阻值較小的采樣電阻串聯(lián)在LED負(fù)載與低之間，設(shè)流過LED的電流為I，則采樣電阻兩端的電壓：