一種高功率因數帶冷暖色溫切換的LED驅動芯片

趙興農， 冷亞輝， 何樂年

(浙江大學 超大規模集成電路設計研究所，浙江 杭州 310027)

0 引 言

與傳統的白熾燈和日光燈照明技術相比，發光二極管(light-emitting diode,LED)照明系統效率更高、壽命更長、更加安全環保，因此,近年來LED照明技術逐漸取代傳統照明方式，廣泛應用于各種顯示、裝飾、背光源和普通照明等領域[1]。LED照明系統要求具有較高的功率因數，以符合相關的工業和民用標準[2]。

選擇合適的照明色溫可對人體晝夜節律、體溫調節產生積極影響[3]，甚至可以在治療失眠、提高工作效率等方面發揮作用[4,5]。另一方面，對于色溫的感知存在一定個體差異[6]，因此，由用戶根據主觀喜好手動調節色溫的控制方式可以作為色溫切換的實現方法。

利用傳統的開關變換器，諸如反激變換器或者buck變換器，也可以達到較高的功率因數[7～9]。但反激變換器需要變壓器隔離輸入級和輸出級，buck變換器需要電感器存儲能量，這些磁性元件都會增大電路面積和提升系統成本。應用非隔離的電路拓撲，能夠在簡化片外元件的同時達到較高的功率因數[10]，但此類常規變換器均無色溫切換功能。

本文提出并設計了一種LED驅動芯片，無需使用變壓器和片外電感器，由此減少系統面積、降低系統成本；無需電解電容器，由此增加系統可靠性、延長系統壽命。該芯片使照明系統達到較高的功率因數(97.80 %)和效率(90.22 %)，且僅通過墻壁開關可以穩定地實現色溫切換。通過仿真驗證，設計的LED驅動芯片符合設計目標。

1 驅動芯片設計

1.1 高功率因數驅動電路原理

本文提出的LED驅動芯片系統框圖如圖1所示。為實現色溫切換功能，片外設置冷色和暖色2種LED燈串，每種燈串包含幾十顆LED單元，(圖中簡化成4個)。VL為母線電壓，Vg為直流電壓(5.8 V),Vrn(n=1,2,3,4)為參考電壓。恒流控制模塊使流經LED燈串的總電流跟隨輸入電壓分段變化，以保證較高的功率因數。色溫切換模塊根據供電電壓Vg的變化感知片外墻壁開關動作，生成控制冷暖色燈串切換的信號Vc和Vw，分別控制對應色溫LED的導通和關斷。片外電容器CCT為環形計數器提供供電電壓，從而在墻壁開關短時間斷開時保存色溫狀態。片外電阻器RS是恒流控制模塊的采樣電阻器；R1和R2為功率補償模塊的峰值采樣電阻器，片外電容器CPDC用于存儲相應的母線電壓峰值采樣結果。

圖1 驅動芯片系統框圖

1)恒流控制原理。取恒流控制模塊中的通道1，以及對應的片外冷色LED燈串Dc1，將電路簡化成圖2。由運算放大器、低壓MOS管和采樣電阻器RS組成恒流控制電路。根據反饋電路的數字關系，可得反饋電阻器上電壓Vfb與運放電壓參考值Vr1的關系為

(1)

圖2 Dc1燈串的驅動原理

2)功率因數控制。芯片中設置了4路恒流通道，其參考值Vr1，Vr2，Vr3，Vr4依次遞增，且需要根據輸入電壓控制導通LED的數量和總輸入電流。

圖3描述了線電壓VL和輸出電流Iout的理論波形，波形的縱坐標定義

(2)

式中Vi為輸出總電流在不同值之間切換時所對應的臨界輸入母線電壓,VF為單顆LED的正向導通電壓,Ni為第i串LED燈串含有的LED單元數量,VS為高壓和低壓MOS管能夠輸出恒定電流的最小源漏電壓。

圖3 輸入母線電壓和輸出總電流波形

以僅有冷色燈串發光情況為例。通過分段導通LED燈串的方式，使得輸入電流隨著輸入電壓的大小分段調節，輸入電流的相位自動跟隨輸入電壓變化，從而獲得較高的功率因數。

當輸入線電壓VL

當V1-VS

當V1

當V2-VS

當V2

當V3-VS

當VL>V4-VS時，最后一串LED開始被點亮，此時僅有通道4導通，電流保持在I4。

隨后線電壓下降，如圖3的右半部分波形所示，輸出電流分階段減小到0A，以此類推，此后的每個周期芯片按相同工作模式工作。

1.2 冷暖色溫切換電路原理

芯片同時控制暖色、冷色兩種LED燈串。兩種LED燈串并聯后經過整流橋與用戶手動控制的墻壁開關相連接。通過控制墻壁開關的通斷達到切換色溫的目的。

第一次接通墻壁開關，芯片上電，整個系統復位到初始狀態，只有冷色LED燈串發光；手動關閉墻壁開關并在3 s時間內重新打開，系統切換成暖色LED燈串發光；再次手動關閉墻壁開關并在3 s時間內打開，則系統切換到冷暖色LED燈串同時發光(總光照強度與單串LED發光時相同)；再一次墻壁開關動作，再次回歸只有冷色LED燈串發光的狀態，以此循環重復。

色溫切換模塊的簡化電路如圖4所示，模擬電路部分如圖4(a) 所示，主要包含兩組上電復位電路(POR)以及片外電容器CCT；數字部分如圖4(b) 所示，主要包含環形計數器和一系列輔助電路。色溫切換模塊的輸入為預穩壓模塊提供的電壓Vg，芯片上電時，Vg會通過二極管為片外電容器CCT充電，充電后片外電容上的電壓VCT給環形計數器和其他邏輯門電路供電。當墻壁開關斷開時，芯片輸入電壓歸零，會導致Vg迅速下降到0 V；另一方面，由于片外電容器CCT的作用，電壓VCT下降相對緩慢，所以環形計數器的供電在短時間內(設計斷電時間上限為3 s)不會中斷，仍可正常工作；墻壁開關再次閉合，Vg上升，POR模塊會產生1次時鐘翻轉信號，環形計數器計數加1，進入下一色溫狀態。

圖4 色溫切換模塊簡化電路

色溫切換模塊的輸出為Vc和Vw，Vc為控制冷色燈串的邏輯信號，Vw為控制暖色燈串的邏輯信號。當Vc為高電平時，所有通道中的冷光LED恒流輸出端口導通，當Vw為高電平時，所有通道中的暖光LED恒流輸出端口導通。圖5為芯片上電和連續幾次色溫切換時色溫切換模塊的輸入輸出波形。上電之后，色溫切換模塊通過信號Vg感知開關動作，每次Vg重新上電，都會產生相應的時鐘信號，使環形計數器進入了下一狀態。環形計數器共有3個狀態：

S1：信號Vc高電位、信號Vw低電位，此時只有冷色LED發光；

S2：信號Vc低電位、信號Vw高電位，此時只有暖色LED發光；

S3：信號Vc高電位、信號Vw高電位，此時冷暖色LED同時發光。

圖5 色溫切換模塊輸入輸出波形

2 仿真與結果分析

2.1 功率因數仿真結果與分析

在系統中，選擇反饋采樣電阻值為15 Ω，4部分燈串的LED數目分別為48,30,10,9個。圖6為輸入電壓和輸出電流的仿真波形，上方波形為輸入母線電壓VL，即有效值為220 V、頻率為50 Hz的正弦交流電壓經過整流橋后的波形，下方波形為輸出總電流Iout。

圖6 功率因數仿真結果

由圖6可得，輸出總電流由4個階梯組成，與設計原理符合。可以得到系統功率因數達到97.80 %，表1為本文仿真數據與已有研究結果比較。

表1 仿真數據比較

2.2 冷暖光切換仿真結果與分析

圖7所示為冷暖光切換的仿真波形。上方波形反映了墻壁開關動作。在一個周期之初，冷色燈串中通過電流，暖色燈串中無電流通過，即只有冷色燈串發光。經過一次開關動作，暖色燈串中有電流通過，而冷色燈串中無電流通過，即暖色燈串發光。再一次開關動作，仿真結果顯示冷色燈串和暖色燈串中均有電流流過，即冷暖色燈串同時發光，且兩列燈串中通過的電流強度之和與單色燈串發光時的電流強度相等。經過再一次開關動作，進入下一周期。與設計方案比對，仿真結果符合預期。

圖7 色溫切換仿真結果

3 結 論

本文提出的LED驅動芯片，無需搭配片外磁性元件或電解電容器，從而提升系統的耐用性、降低系統成本。控制芯片使用1 μm，700 V CMOS工藝設計。仿真結果顯示設計的LED驅動芯片的功率因數達到了97.80 %，效率達到90.22 %，且能夠通過墻壁開關控制冷暖色光的切換。