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照明是與人類生活息息相關的一個領域，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、環保、壽命長等優點，廣泛應用在室內外照明、景觀設計、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，已成為未來照明產業發展的方向。 另外，為了適應實際生產和節電的需要，LED通常需要調光。調光電路的實現，既節省電能，降低了浪費，同時，避免LED長期在超負荷狀態下工作，提高了LED的運行效率和壽命。本文通過研究電力電子開關變換器和調光策略，分析設計LED在不同調光方式下的運行狀態，實現高效的組合調光策略。 1 Flyback 驅動電路分析 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、易實現多路輸出、提供耐壓保護等優點，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 恒流驅動電路 LED 由于其陡峭的伏安特性，一般采用恒流驅動。本文采用雙環控制恒流輸出。如圖1，通過電流采樣電阻Rs將電流信號轉換成電壓信號，與給定的Uref-i值進行比較，通過PI調節，經過光耦隔離形成電流誤差信號作為內電流環的給定，與開關電流進行比較，再通過UC3842 內部比較器形成PWM波，用以控制開關管的開斷,當電流參考值恒定時，電路工作達到穩態即恒流輸出。通過調節VR2可以改變Uref-i值，從而達到調光效果。另外，為了防止輸出過壓，在反饋環節還加了一個電壓環，通過調整VR1改變輸出限壓值。圖中參考電壓Uref由TL431提供2.5 V的基準電壓。 2 調光策略分析 LED的亮度是隨著正向電流IF的變化而呈現近似比例變化的，當改變正向電流平均值時，相應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地調節流過LED的電流，來改變光通量輸出，流過LED的電流是連續的；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是在調光開關管一個周期Tdim內的導通時間。這樣，通過調節調光占空比Ddim和Im，都可以達到調光效果。 根據改變電流方式的不同，其調光電路可相應地分為模擬調光和PWM調光。 2.1 模擬調光 模擬調光方式可分為開關式幅值變化AM調光和線性調光，其電路控制原理圖如圖3。幅值變化調光如圖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。線性調光是將工作在放大區的功率管當做動態電阻，如圖3（b）、（c）所示，分為并聯型和串聯型兩種。此時主電路工作在恒壓模式，通過改變Q1的阻值來調節電路電流。模擬調光能夠避免調光時產生的噪聲，無閃爍現象，而且簡單方便。但是變換器始終處在連續工作狀態，系統的損耗比較大；另一方面，模擬調光時LED的色溫、光效等光學特性會隨著電流變化而變化，在對色溫等要求嚴格的場合該方式受到限制。 圖3 模擬調光示意圖 2.2 PWM 調光 PWM調光能夠精確地控制流過LED的電流，調光范圍更寬，色溫不會發生漂移，而且LED驅動器的效率高，缺點是調光時容易產生噪聲。PWM調光頻率一般在200 Hz 以上，以避免產生LED閃爍等情況。調光方案如圖4，在輸出負載串接一開關管，通過單片機輸出PWM脈沖反復地接通和斷開LED電流來調節發光亮度。 圖4 PWM調光示意圖 圖5 調光PWM產生電路原理圖 PWM模塊由Microchip公司生產的8位單片機PIC16F877A產生。單片機晶振為4 M，調光頻率fdim設為250 Hz。AD采集后的數據通過轉換作為占空比的給定值，單片機輸出的PWM波經過TLP250放大后作為驅動調光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，當空載即輸出電流為0 時輸出電壓會很快竄到限壓值，所以進行PWM 調光時的Im即電路的最大電流。在進行PWM調光時，先調整電壓環和電流環使得電路的最大工作電流為額定電流Im，對Im進行PWM調節，則iLEDS=DdimIm。 2.3 組合調光 將模擬調光和PWM調光結合起來，相互彌補不足，在既需要模擬調光也要求PWM調光的場合尤為適用。根據電路特點和實際應用，提出了結合兩種調光方式的調光方案。 （1）在PWM 調光的基礎上改變Im進行混合調光。當調光開關管Sdim斷開時輸出電壓為限壓值Uo-set，則在Sdim的開通時間內，輸出部分構成一階零輸入響應。LED 模型UO=Uturn-on+Rled×IO，則等效電路圖如圖6 所示，經過DdimTdim的導通時間后，輸出電壓為： 設Ddim在0.3~1 范圍內可調，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。此時調節電流環已不起作用，通過連續調節電壓環強制改變限壓值，從而改變Im以達到調光效果。 （2）第二種調光方案：將LED并聯兩路，一路用模擬調光，一路用PWM 調光。兩路調光示意圖如圖7 所示。Ⅰ路和Ⅱ路的輸出電壓都為Uo，則Ⅰ路通過模擬方式進行調光；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，進行調光。若兩路帶的負載一樣， 則Io=I1+I2≈(1+D)I1。 圖6 調光開光管閉合時輸出等效電 圖7 兩路調光示意圖 3 實驗結果 基于上述拓撲的分析，設計了一個輸入電壓Uin=36~60 VDC，輸出電流Io=0.7 A，輸出電壓Uo=30V左右的調光電路，電路工作頻率為50 kHz，能在30%-100%寬范圍內調光。實驗的負載采用額定電流為30 mA的小LED 燈8串16并聯構成，最大電流可達到1 A。 圖8 給出了恒流輸出和紋波波形，圖9和圖10分別是模擬調光和PWM 調光時的驅動波形。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，PWM調光的效率最高，模擬調光次之，組合調光效率有所降低，但都能保持在85%以上。 in=48 V，Io=0.45 A恒流輸出時輸出電流及其紋波"> 圖8 當Uin=48 V，Io=0.45 A恒流輸出時輸出電流及其紋波 in=48 V，Io=0.45 A模擬調光時主開關管Uds和Ugs波形"> 圖9 當Uin=48 V，Io=0.45 A模擬調光時主開關管Uds和Ugs波形 in=48 V，Io=0.45 A PWM調光時主開關管和調光開關管Ugs波形"> 圖10 當Uin=48 V，Io=0.45 A PWM調光時主開關管和調光開關管Ugs波形 圖11 三種調光方式的效率對比曲線 4 結論 本文采用反激變換器電路拓撲，設計了一個LED驅動電源與組合調光電路。分析總結了幾種LED調光方法，通過實驗樣機設計、結果分析，該電路實現了模擬、PWM以及組合調光，調光效率在86%以上，紋波在4%以下，開關管電壓應力在允許范圍之內，能實現高效可靠的LED照明調光。 |
