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LED驱动电源组合调光设计方案

时间:08-02 来源:维库电子市场网 点击:

  照明是与人类生活息息相关的一个领域,也是消耗能源的重要方面,约占世界总耗能的20%。LED(Light Emitting Diode)作为新型高效固体光源,由于高效、环保、寿命长等优点,广泛应用在室内外照明、景观设计、指示灯等方面。LED 照明迅速成为最热门的第四代电光源之一,已成为未来照明产业发展的方向。

  另外,为了适应实际生产和节电的需要,LED通常需要调光。调光电路的实现,既节省电能,降低了浪费,同时,避免LED长期在超负荷状态下工作,提高了LED的运行效率和寿命。本文通过研究电力电子开关变换器和调光策略,分析设计LED在不同调光方式下的运行状态,实现高效的组合调光策略。

  1 Flyback 驱动电路分析

  隔离型反激电路具有所用器件最少、成本低、功率密度大、电气隔离、易实现多路输出、提供耐压保护等优点,适合150 W以下小功率电源装置,而LED 照明一般是采用小功率的电源装置。本文采用反激电路作为主电路,采用UC3842 作为控制芯片。UC3842 是一种固定频率电流型控制芯片,外围元件少,振荡频率最大可达500 kHz,控制简单,外围电路也比较成熟。电路原理图如图1所示。

  

  图1 Flyback 恒流驱动电路

  LED 由于其陡峭的伏安特性,一般采用恒流驱动。本文采用双环控制恒流输出。如图1,通过电流采样电阻Rs将电流信号转换成电压信号,与给定的Uref-i值进行比较,通过PI调节,经过光耦隔离形成电流误差信号作为内电流环的给定,与开关电流进行比较,再通过UC3842 内部比较器形成PWM波,用以控制开关管的开断,当电流参考值恒定时,电路工作达到稳态即恒流输出。通过调节VR2可以改变Uref-i值,从而达到调光效果。另外,为了防止输出过压,在反馈环节还加了一个电压环,通过调整VR1改变输出限压值。图中参考电压Uref由TL431提供2.5 V的基准电压。

  2 调光策略分析

  LED的亮度是随着正向电流IF的变化而呈现近似比例变化的,当改变正向电流平均值时,相应地也能改变光输出的大小。常见的改变IF大小的有两种方式,如图2所示。

  

  图2 改变正向电流的两种方式

  在图2(a)中,通过在不同时刻连续地调节流过LED的电流,来改变光通量输出,流过LED的电流是连续的;在图2(b)中,先给定一个Im值,通过给定不同的占空比Ddim控制电流,则流过LED的电流:

  

  式中,Ton是在调光开关管一个周期Tdim内的导通时间。这样,通过调节调光占空比Ddim和Im,都可以达到调光效果。

  根据改变电流方式的不同,其调光电路可相应地分为模拟调光和PWM调光。

  2.1 模拟调光

  模拟调光方式可分为开关式幅值变化AM调光和线性调光,其电路控制原理图如图3。幅值变化调光如图3(a),其一般有两种方法:

  ① 固定参考电压Uref-i的大小, 而改变采样电阻Rs的大小。为减小系统功耗,Rs一般取1 Ω以下,而市场上1 Ω左右的电位器又比较少见; ②电流采样电阻保持不变,线性改变Uref-i的大小,即电流参考值改变。这样既可减少电阻上的功耗,又简单方便。线性调光是将工作在放大区的功率管当做动态电阻,如图3(b)、(c)所示,分为并联型和串联型两种。此时主电路工作在恒压模式,通过改变Q1的阻值来调节电路电流。模拟调光能够避免调光时产生的噪声,无闪烁现象,而且简单方便。但是变换器始终处在连续工作状态,系统的损耗比较大;另一方面,模拟调光时LED的色温、光效等光学特性会随着电流变化而变化,在对色温等要求严格的场合该方式受到限制。

  

  图3 模拟调光示意图

  2.2 PWM 调光

  PWM调光能够精确地控制流过LED的电流,调光范围更宽,色温不会发生漂移,而且LED驱动器的效率高,缺点是调光时容易产生噪声。PWM调光频率一般在200 Hz 以上,以避免产生LED闪烁等情况。调光方案如图4,在输出负载串接一开关管,通过单片机输出PWM脉冲反复地接通和断开LED电流来调节发光亮度。

  

  图4 PWM调光示意图

  

  图5 调光PWM产生电路原理图

  PWM模块由Microchip公司生产的8位单片机PIC16F877A产生。单片机晶振为4 M,调光频率fdim设为250 Hz。AD采集后的数据通过转换作为占空比的给定值,单片机输出的PWM波经过TLP250放大后作为驱动调光MOS管的PWM信号。电路原理图如图5。

  由于反激电路不能工作在空载状态,当空载即输出电流为0 时输出电压会很快窜到限压值,所以进行PWM 调光时的Im即电路的最大电流。在进行PWM调光时,先调整电压环和电流环使得电路的最大工作电流为额定电流Im,对Im进行PWM调节,则iLEDS=DdimIm。

  2.3 组合调光

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