大功率可調光LED驅動的設計與實現

王通++梁曉娟

摘 要：設計一款基于UC3844、HV9910芯片的可進行PWM調光的50 W LED恒流驅動電路。其中驅動電源的功率因素校準功能通過單級反激式PFC電路來實現，進而實現了LED恒流源的電流輸出，并且通過STM單片機對LED的調光功能進行控制。

關鍵詞：LED驅動；PWM調光；功率校正；降壓恒流

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）05-00-02

0 引 言

隨著半導體技術的發展，大功率LED已廣泛用于各類照明場所，LED的調光控制技術也隨之迅速發展[1，2]。根據LED特有的電壓電流特性，現在LED照明基本采用恒流驅動方式。目前LED調光的方式主要有三種：線性調光、可控硅調光、PWM調光。

線性調光基于分壓原理線性改變流過LED的電流，應用簡單，但效率偏低，而且在調節LED電流的同時，會引起光譜偏移，同時會因為分壓產生過多的熱量。可控硅調光是應用切向原理通過調節電源的輸出功率來實現調光功能，這種方式會出現大量諧波進而造成電磁干擾，由于不同的可控硅維持電流不同，這種不穩定輸出加到LED上時就會產生閃爍。PWM調光是通過控制LED驅動電流的占空比來改變LED的平均電流值[3]。在脈沖周期內，其輸出電流只有兩種狀態：最大額定工作電流和零電流。由于流過LED的工作電流不變，因而不會引起色溫的變化。PWM調光可以保證LED的色溫恒定，驅動器的效率較高，并且能夠進行精確控制，但缺點是需要MCU控制器。

本文研究和設計了基于UC3842、HV9910芯片的可進行PWM調光的LED恒流驅動電路，并且設計了一款50 W功率的LED驅動進行驗證。

1 LED驅動器設計

可調光LED驅動器硬件電路如圖1所示。可調光LED驅動器硬件電路包含四部分：EMI濾波器、UC3842單級PFC電路、HV9910降壓恒流電路、STM 8調光系統電路。

1.1 EMI濾波器

EMI濾波器的作用主要是削弱干擾源的能量，切斷噪聲耦合路徑，提高設備對電磁干擾的抵抗能力，實質上是由串聯電感、并聯電容和必要的串并聯電阻構成的無源低通濾波器[4]。干擾主要分為共模干擾和差模干擾。EMI濾波器組成如圖2所示，前段為交流輸入保護電路，其中，FU是保險絲、RT是負溫度系數熱敏電阻器、RV是壓敏電阻器。圖中電容C1、C2 和C5 、C6 分別為輸入和輸出端共模電容，用來濾除共模干擾，C3、C4為差模電容，用來濾除差模干擾，L為共模扼流圈，R為泄放電阻，可將C3上積累的電荷泄放掉，避免因電荷積累而影響濾波特性。

圖1 驅動器硬件電路

圖2 EMI濾波器

1.2 UC3842單機PFC恒壓電路

UC3842是一種電流控制型脈寬調制器。其在輸入端直接用流過輸出電感線圈電流的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調節占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化，以達到功率因數校正的目的[5]。

其應用實例如圖3所示，60 W反激式恒壓電路，輸入接EMI濾波器輸出端，輸出為12 V/5 A，初級電感量為370μH，初級匝數為40 T，次級匝數為5 T，開關頻率為100 kHz。其中啟動電路由R105 和C103 構成，C103 經過R105 充電到16 V時，UC3842 有輸出信號， 使MOS 管Q1導通，T1的電流通過電阻R4檢測并與UC3842 內部提供的1 V 基準電壓進行比較，當達到這一電平時，開關管Q1關斷，所有變壓器的繞組極性反向，輸出整流二極管正向偏置，存儲于T1中的能量傳輸到輸出電容器中[6]。啟動結束后， 輸出電壓信號經光耦回送到誤差放大器的反向端與UC3842內部的25 V基準電壓作比較來調整驅動脈沖寬度，從而改變輸出電壓以實現對輸出電壓的控制。

1.3 HV9910恒流電路

HV9910為LED驅動電源驅動IC，內部有9～250 V DC輸入電壓穩定器，不需要額外電源，僅有單機輸入電壓提供驅動器的工作電源，如圖4所示。同時內部有2%精密參考電壓，可以精確的控制流過LED的電流，且含有斷開電路時需要的FET驅動電路，當輸出短路或者過電壓時，可以自動斷開LED對地路徑并縮短控制電路的反應時間[7]。HV9910是目前應用中高壓部分常見的IC，其效率超過92%，而且可以減少相關元器件的數量，降低系統成本。它可以將85～265 V AC或者8～450 V DC電壓源轉換成恒流源，實現對LED串地供電。

其中引腳ROSC上連接的電阻ROSC決定了振蕩器的工作頻率，有公式：

fosc（kHz）=25 000/[ROSC（kΩ）+22]

圖4中所示引腳LD和PWM-D都連到引腳VDD，調光功能未利用，芯片可實現線性和PWM調光兩種方式。

實現線性調光，可通過在引腳LD接電位器（連接到VDD與地之間，滑動觸頭連接到引腳LD），并在LD上施加0～250 mV的控制電壓來實現。當LD上輸入控制電壓時，引腳CS內部設置的250 mV門限電壓就不再起作用。

實現PWM調光可在PWM引腳輸入PWM信號來實現，PWM信號可通過控制電路實現功能，控制電路調光范圍可達0～100%，此時LED亮度正比于PWM占空比。

設電感峰峰值紋波電流為ΔIp-p的影響，流過LED的電流為ILED，則RCS的值有公式：

1.4 調光系統

芯片的PWM-D引腳為PWM調光輸入引腳，在該引腳加入脈沖寬度可變的PWM信號即可調節流過LED的電流，該設計中采用MCU（微控制器）產生PWM信號進行控制[8，9]。在PWM調光模式下，LED流過的電流有兩種狀態：零電流和設定的額定輸出電流[10]。當PWM-D引腳輸入電壓小于0.8 V時，芯片處于停滯狀態；當PWM-D輸入電壓大于2 V時，芯片處于正常工作狀態。本設計采用STM單片機產生PWM信號對電路進行控制，進而實現調光功能[11]。

圖4 HV9910應用電路

2 實驗數據

圖5為繪制的輸入電壓Vin與功率因數PF關系折線圖，從圖中可以看出兩者之間的大致趨勢為隨著輸入電壓的變大，功率因數PF的值降低。在輸入電壓為85 V時，PF值為0.98；輸入電壓為180 V時，PF值降低為0.945；達到最大輸入電壓值260 V時，PF值變為0.91，由此看出該設計系統可保持較理想的功率因數校正效果，滿足設計指標要求。

圖6為繪制的輸入電壓與樣機效率的關系折線圖，圖中可看出其大致趨勢為隨著輸入電壓的變大，效率的值增大。輸入電壓為85 V時，效率值為0.845；輸入電壓為180 V時，效率值為0.86；達到最大輸入電壓值260 V時，效率值為0.872，由此可看出樣機可保持理想的效率值，滿足設計指標要求

圖5 PF與輸入電壓測試曲線

圖6 效率與輸入電壓測試曲線

3 結 語

根據LED調光控制技術的發展趨勢和LED特有的電壓電流特性，本文研究和設計了基于UC3842、HV9910芯片的可進行PWM調光的LED恒流驅動電路，并用50 W功率的LED驅動進行驗證，驗證結果表明該設計系統可保持較理想的功率因數校正效果和效率值。

參考文獻

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[8]付佳.升壓型雙模式PWM LED驅動芯片設計[D].杭州：浙江大學，2007.

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[11]張雪. 單級PFC LED驅動電源的研究與設計[D]. 西安：西安科技大學，2011.