RGBW四色LED驅動電源設計

文/高志成

隨著半導體技術和照明技術的發(fā)展，發(fā)光二極管（LED）憑借著體積小，速度快，綠色節(jié)能，發(fā)光效率高的優(yōu)勢，在電力照明，可見光通訊等諸多領域都得到了廣泛的應用。近年來，發(fā)光效率更高，顯示指數(shù)更高的RGBW四色LED燈逐漸取代了RGB三色LED，成為照明顯示領域的新發(fā)展方向。目前LED燈的驅動電源主要分為兩類，即線性電源和開關電源，線性電源優(yōu)點是電路簡單，沒有電磁干擾等問題，但由于存在發(fā)光效率低下，發(fā)熱明顯等缺陷正逐步被開關電源取代；反之開關電源可以是升壓式，也可以是降壓式，可以直接從市電取電使用，相較而言適用范圍更廣，缺陷是電路設計比較復雜。本文提出了一種針對RGBW四色LED調(diào)光顯示的恒流驅動電路，特點是可以調(diào)控四種顏色像素的發(fā)光比例，同時保持較高的發(fā)光效率，恒流驅動又保證了發(fā)光的穩(wěn)定性以及使用壽命。

1 方案設計

RGBW四路LED燈的驅動電路與以往的單色LED燈及RGB三色LED 燈由一定差異，主要表現(xiàn)在四色LED的四個顏色的像素都有不同的額定工作電壓和電流，不能簡單串聯(lián)，所以它的驅動電路需要四路單獨穩(wěn)流電源，每一路都根據(jù)各自對應像素的發(fā)光特性，設計對應的電路輸出特性。目前，RGBW四色LED驅動電路設計較少，漏鳴杰等人設計的RGBW驅動電路使用芯片過多，整體電路結構過于冗長，不適合小型家用設備使用，本文提出的驅動電路只需用到1片UC3854芯片及四片UC3843芯片，電路相對較為簡單。

整個驅動電路主要由三個部分組成，即功率因數(shù)校正電路，隔離降壓電路和四路降壓穩(wěn)流電路，整體框架如圖1所示。

表1：LED燈參數(shù)

圖1：電路總體框架

圖2：PFC功率因數(shù)校正電路

由于整個驅動電路設計在市電供電的基礎上，所以需要先經(jīng)過第一級PFC電路進行相位整定，因為PFC電路輸出電壓較高，所以需要第二級降壓隔離電路，將電壓變換為小電壓并隔離，第三級變換為四路降壓穩(wěn)流電路，恒流給LED供電。

本文所使用的四色LED超越光電的高亮5050RGBW燈珠，電壓電流特性如表1所示。

根據(jù)燈珠在正常工作時，電壓電流特性，本文仿真LED負載模擬為導通壓降是3V的二極管模型，電路設計目的是使得電路輸出電流穩(wěn)定在200mA附近。

2 PFC功率因數(shù)校正電路設計

由于市電是220V交流電，經(jīng)整流后，整流電路輸出的直流電壓中包含大量諧波，諧波危害較大，會影響用電效率，降低用電器使用壽命，同時也會對通信電路造成干擾，所以一些世界性的學術組織或國家己經(jīng)頒布或實施了一些輸入電流諧波限制標準,如IEC555-2、IEEE519、IEC1000-3-2等，使用功率因數(shù)校正技術(PFC)把諧波污染控制在相應的標準要求范圍之內(nèi)以成為必要。

圖3：電壓電流波形

在整流電路中，功率因數(shù)(PF)定義為有功功率(P)和視在功率(S)的比值。即：

式中，I1表示交流輸入市電的基波電流有效值；Irms表示交流輸入市電電流的有效值；γ表示交流輸入市電電流的波形畸變因數(shù)；cosφ表示交流輸入市電的基波電壓和基波電流的相位因數(shù)。電流的總諧波畸變因數(shù)(THD)可表示為：

所以，得到：

由上式可以看出,當交流輸入市電的電壓、電流同頻和同相位時,即cosφ=1，功率因數(shù)只與總諧波畸變因數(shù)有關。所以，控制交流市電輸入電流的諧波有助于改善電路的功率因數(shù),減小對電網(wǎng)的諧波污染。目前,通常采用功率因數(shù)校正技術來改善開關整流電路的功率因數(shù)，即使得輸入電壓，輸入電流同相位，此時cosφ=1, PF=γ。

圖4：Flyback降壓隔離電路

圖5：輸出電壓波形

目前現(xiàn)行的功率因數(shù)校正可以分為有源功率因數(shù)校正和無源功率因數(shù)校正，無源功率因數(shù)校正的優(yōu)點是電路結構相對簡單，而且因為沒有開關管此類有源器件其電路成本也相對有源功率因數(shù)校正要低，同時又降低了電路的傳導電磁干擾。無源式功率因數(shù)校正的缺點是它很難得到非常高的功率因數(shù)，一般得到的功率因數(shù)都小于0.9，而且隨著電源頻率變化、負載變化或者輸入電壓的變化，它的工作性能也會產(chǎn)生變化；有源功率因數(shù)校正的主要優(yōu)點是可以得到高達0.99甚至接近于1的高功率因數(shù)，使得電網(wǎng)輸入電流的總諧波失真減小至5%以下，可以在很寬的頻率帶寬與輸入電壓下工作，利用反饋回路，輸出電壓恒定，簡化后級的降壓穩(wěn)流級的電路設計。綜述，本文第一級變換選用有源功率因數(shù)校正。第一級變換電路具體控制芯片選用UC3854，UC3854具有以下優(yōu)點：采用升壓電路,功率因數(shù)達到以上,,適用于任何特性的開關器件，平均電流模式控制，啟動電源電流，1A圖騰柱柵極驅動器，精密電壓參考。電路拓撲設計為BOOST升壓電路，UC3854用來依據(jù)采樣電壓大小，閉環(huán)控制MOS管開關狀態(tài)。

用saber仿真軟件進行PFC仿真，PFC功率因數(shù)校正電路具體電路拓撲如圖2所示。

圖6：降壓穩(wěn)流過程

電壓源為有效值220V的市電，電路設計目標使得輸出端穩(wěn)定在400V左右。經(jīng)仿真，繪制出校正后, BOOST輸入端電壓電流波形以及BOOST升壓后的電壓波形，如圖3所示。

由圖3可看出，BOOST輸入端（即整流橋后）電壓電流相位基本相同，BOOST輸出端電壓在394V到404V之間穩(wěn)定，說明本PFC電路設計滿足要求。

3 降壓隔離電路設計

由于PFC校正后的電路側是400V電壓，而RGBW四色LED的驅動是幾伏特的小電壓。所以考慮在PFC電路后加入一級降壓隔離電路，實現(xiàn)降壓同時保證低壓側用電安全，保護LED燈串，選擇添加一級經(jīng)典的Flyback電路進行降壓隔離，F(xiàn)lyback電路簡單，元器件少，體積小，輸出電壓受占空比調(diào)節(jié)幅度較大，而且不需要加磁復位措施，F(xiàn)lyback電路通過變壓器耦合進行兩側隔離，可以保證安全，優(yōu)點明顯。Saber仿真具體電路拓撲如圖4所示。

其中，MOS管用恒定方波信號控制，副邊側用500歐姆電阻模擬第三級電路和LED燈。Flyback電路工作在電流斷續(xù)模式下，因為設計中第三級BUCK電路輸出電壓在7V左右，所以第二級輸出在7V以上即可，設置門極控制信號占空比和變壓器原副線圈電感參數(shù)，使得電路實現(xiàn)電壓從400V降到12V恒壓，由于在加下來第三級的降壓穩(wěn)流電路中會閉環(huán)控制電流為穩(wěn)定值，所以第二級電路不加反饋，開關管用固定占空比的信號控制。電路仿真結果如圖5所示。

由仿真結果可以看出，上面一條線是輸入，穩(wěn)定400V，下面一條線是輸出，穩(wěn)定12V，得出結論此電路可以穩(wěn)定輸出12V直流電壓，可以滿足設計需求。

4 降壓穩(wěn)流電路設計

一般大功率LED燈由多路LED組成，為了保證各路LED燈光強一致，以獲得更好的照明效果，也為了提高LED燈的使用壽命，對LED電路實現(xiàn)恒流輸入顯得很有必要。

圖7：降壓穩(wěn)流電路

圖8：電流波形

本文設計的降壓穩(wěn)流電路使用四片UC3843芯片組成降壓電路并聯(lián)，反饋控制，反饋信號設為電流信號，采樣電阻設為0.5歐姆，采樣電阻兩端的電壓值經(jīng)25倍運放反饋回UC3843，設定穩(wěn)流電路電流輸出200mA，以二極管代替RGBW四色LED進行仿真，設置導通壓降3V，再加限流電阻19.5歐姆。主拓撲采用BUCK電路，BUCK電路具有結構簡單，應用廣泛，工作效率較高等優(yōu)點。

降壓穩(wěn)流電路工作方式為輸出端檢測反饋電阻上的電壓，與UC3843芯片內(nèi)部的基準電壓2.5V比較，小于2.5V則OUTPUT管腳輸出高電平，MOS管導通，BUCK電路工作在Ton階段，電感充電；電壓大于2.5V，OUTPUT輸出低電平，開關管關斷，電容續(xù)流，最終使得反饋電阻兩端電壓穩(wěn)定在2.5V，進而保證電流穩(wěn)定。具體流程圖如圖6。

此處僅列出其中一路的仿真電路，電路拓撲如圖7，仿真結果見圖8。

從上圖可見，此電路結構輸出電流較為穩(wěn)定，在預設值200mA附近，波動幅度非常小，可以達到LED燈的驅動要求。

5 總結

本電路設計基于市電輸入電壓，分析了三級變換電路各自拓撲結構的選型，并闡述了各自的優(yōu)缺點。經(jīng)仿真驗證，整個電路輸出電流穩(wěn)定，可以抗一定程度的輸入電壓波動干擾，轉化效率較高，諧波污染極小。綜上所述，本電路在使用市電基礎上經(jīng)三級變換后可輸出四路穩(wěn)定電流給RGBW四色LED燈串使用。