全數字控制可控硅調光LED驅動器設計*

張 杰 ，張 軼 ，王曉剛 ，王佳慶

（1.廣州大學 機械與電氣工程學院，廣東 廣州510006；2.武漢凱迪電力環保有限公司，湖北 武漢430223）

當前，隨著節能理念在照明領域的深入，出現了用LED和節能燈直接替代原光源產品中由可控硅調光器調光的白熾燈和鹵素燈。可控硅調光器通過斬切交流信號實現白熾燈和鹵素燈調光，主要有前向斬波和后向斬波兩種。由于白熾燈和鹵素燈是電阻性負載，應用可控硅實現調光是很便利的一種解決方案。但當LED和節能燈使用原有可控硅調光器進行調光時，會面臨很多問題。首先，LED和節能燈都是非線性高頻負載[1]，但可控硅的開關特性不適合這種應用；另外，目前市場上有多種可控硅調光器，而能滿足全部調光器特性的LED驅動器存在很多問題。為此，本文設計了一種數字控制的可控硅調光LED驅動器[2]。

1 系統結構框圖

本設計中HBLED由開關型變換器驅動，采用PWM調光方法，LED驅動器連接可控硅調光器，如圖1所示。可控硅斬波后經整流到達flyback變壓器，從而把能量傳遞到副邊給DC-DC供電。副邊MCU初始化后，進行恒流和保護等參數設置，并通過輔助繞組和片內比較器檢測可控硅的導通角，實現恒流、調光和保護等功能。為使可控硅可靠導通，在整流橋后接入了穩定可控硅導通電路。系統具有以下功能：(1)保證可控硅調光器可靠地導通；(2)功率因數在 0.95以上；(3)驅動器效率在 72%以上；(4)LED具有恒流功能；(5)具有可控硅調光功能（1%～100%）；(6)各種保護功能。

2 驅動器設計[3-4]

2.1 變壓器設計

工作頻率、輸入/輸出電壓、輸入/輸出功率、輸入峰值電流等參數會影響變壓器運行，從而造成可控硅的導通和關斷。為保證可控硅調光器正常、可靠地導通，合理設計變壓器非常關鍵。此外，優化變壓器的尺寸、材料、磁芯等參數可以提高變壓器的效率。

圖1 系統框圖

2.1.1 計算初級電感

為了保證最優的初級電感，能接受的最小占空比計算如下：

式中，δ1是可接受的最小占空比，Psw是 MOSFET內部損耗功率，RDSon是MOSFET的導通電阻，Vbuff是等效平均電壓。

本應用中，導通電阻RDSon典型值為 10 Ω，Pin為14 W，電壓Vbuff為 230 V，功率Psw為 500 mW。 則：

初級繞組電感計算如下：

式中，fconv是 flyback電路的運行頻率，為 100 kHz，則有：

初級電流Ip(peak)計算如下：

則本設計中：

2.1.2 磁芯選擇

磁芯尺寸是通過需要存儲在變壓器和氣息磁場中的最大能量所決定的。變壓器中所能存儲的能量如下式：

輸出功率的范圍決定了適合的磁芯類型，本應用選用了E25/13/7型磁芯。

2.1.3 初級繞組匝數

初級繞組需要在匝數和氣隙大小兩者之間取得平衡，以保證應用中變壓器不飽和。考慮本應用的特殊要求，可依據下式確定匝數。

設 計 中 有 以 下 參 數 ：Lp=415 μH，Ip=0.821 A，Bmax=275 mT，Ac=39.5 mm2，則經式(8)計算得出初級匝數為 70匝。氣隙大小計算如下：

經計算本應用中的氣隙大小為837 μm。

2.1.4 次級繞組匝數

變壓器次級的最大間隔時間計算如下：

式 中 ，ffring=722 kHz，flyback 的 運 行 周 期 為T=10 μs，所以有 δ2T=8.2 μs，δ2=0.82。

匝比n可以根據下式得出：

所以次級繞組的匝數Ns=27匝。

2.2 假負載電路

式中，VL=15.7 V，則：

圖2 穩定可控硅電路

為消除高頻信號對可控硅的干擾，保證可控硅具有一定的導通電流，設計了穩定可控硅導通電路，如圖2所示。當由于高頻非線性負載電流不夠而引起導通不完全時，假負載可以及時接入。當Q3導通時，導入大負載保證可控硅導通。當可控硅導通后，控制Q2導通關閉Q3，切換到小負載來維持可控硅導通所需要的維持電流，這樣既保證了可控硅導通的維持電流，又盡可能地降低了假負載的損耗。

2.3 導通角檢測

為了使驅動器穩定工作，快速、可靠地檢測可控硅的導通角非常重要。本驅動器通過軟硬件結合的方式來實現導通角檢測，把整流電路后的濾波大電容去掉，使得整個驅動器會有0.9以上的功率因數，使整流后的電壓波形保持饅頭波波形，由此反激變換器輔助繞組上的波形也保持相應的饅頭波波形，從而可以利用MCU內置的比較器進行電壓比較。比較器輸出的上升沿觸發MCU片內定時器進行計時，其下降沿則使得定時器停止計時，然后程序對計時結果進行軟件濾波處理，再轉化為對應的PWM調光信號，最終快速有效地判斷出可控硅的導通角并實現調光功能。

2.4 程序架構

uPD78F075x系列MCU集成了硬件比較器，并且其定時器具有和比較器輸出的聯動功能，從而實現變頻或定頻變占空比的類似硬件控制，為LED恒流控制的實現提供了便利。聯動功能具體實現如下：(1)通過配置定時器使其具有PWM輸出功能，并且其PWM波的輸出是根據比較器的輸出結果來改變PWM的頻率或占空比。(2)可通過設置MCU中的兩個定時器進行邏輯關聯，使得其中一個定時器輸出的PWM受另一個定時器的輸出的控制，這樣就無需另外單獨輸出PWM進行調光，可以利用此功能在MCU內部控制主PWM而使得整個DCDC部分工作或不工作實現數字調光功能。本系統充分利用以上兩項功能，通過軟硬件對導通角的快速、可靠地判斷，再將導通角信號轉化為調光信號實現可控硅調光功能。圖3、圖4分別為主程序流程圖和導通角判斷的程序流程圖。

3 實驗結果

為驗證驅動器實際運行效果，研制樣機進行了實驗研究。部分實驗波形如圖5～圖8所示。從波形圖可以看出，可控硅能很好地導通，斬波后的信號非常干凈，調光信號和可控硅的斬波信號也有很好的對應。當LED工作時，加在LED的電壓信號迅速上升并穩定在一定范圍內，起到了恒流和調光作用[5]。

本文設計了一種可通過可控硅調光器進行調光的LED驅動系統，通過對變壓器進行優化設計，以軟硬件結合的方式進行可控硅導通角的實時判斷并快速、穩定地轉化為調光信號，很好地保證了可控硅調光器的可靠工作，從而實現了可控硅對LED驅動器的全數字調光。

[1]周源，孫耀杰.隔離式反激型LED驅動器的建模與調光設計[J].光源與照明，2007，3(1)：1-5.

[2]溫德爾.LED驅動電路設計[M].謝運祥，王曉剛譯.北京：人民郵電出版社，2009.

[3]宋適.基于AVR單片機的自適應調光系統[J].電氣自動化，2009，31(1)：33-35.

[4]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，2004.

[5]方友維.關于LED驅動電源技術參數的合理要求[J].照明工程學報，2009，20(8)：118-119.