一種高效低紋波調(diào)光LED驅(qū)動頻閃的研究

吳海燕，楊青峰，方潔苗

（浙江榆陽電子有限公司，桐鄉(xiāng) 314500）

LED以其光效高、可靠性高、壽命長和綠色無污染的特點(diǎn)成為新一代照明光源，現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用。目前，新調(diào)光功能LED驅(qū)動要求具有啟動速度快、高頻率、高PF、定置化設(shè)光曲線[1]、開關(guān)機(jī)無閃爍和無線或WIFI多臺控制等特性。根據(jù)LED特有的伏安特性，LED驅(qū)動大多采用恒流驅(qū)動方式，LED的發(fā)光強(qiáng)度由其驅(qū)動電流決定，只要改變驅(qū)動電流就可以改變LED的亮度，實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。通常LED驅(qū)動的調(diào)光方式有3種：TRAIC調(diào)光、模擬調(diào)光和PWM調(diào)光，可以滿足一般性調(diào)光需求[9]。但人們對調(diào)光控制方式和精度提出了更高的要求，調(diào)光電流的變化曲線各有不同，電流的變化率直接關(guān)系到LED燈光通量的變化，通常調(diào)光方式的固有缺陷使其無法滿足要求。

本研究設(shè)計一種高效率、低紋波電流的PWM調(diào)光LED驅(qū)動電源，解決了采用Boost+Buck PWM調(diào)光LED驅(qū)動方案應(yīng)用中的快速起機(jī)以及起機(jī)關(guān)機(jī)時序控制等一系列問題。重點(diǎn)解決了Buck型PWM調(diào)光方式的一些缺陷，使調(diào)光過程中LED燈的亮度變化非常平滑、柔和，提高了調(diào)光的精度。

1 常用LED驅(qū)動調(diào)光方式的實(shí)現(xiàn)

1.1 TRAIC調(diào)光

LED輸出相對光強(qiáng)與正向電流的關(guān)系如圖1所示。TRAIC調(diào)光在傳統(tǒng)白熾燈和鹵素?zé)糁斜黄毡椴捎茫潆娐芳肮ぷ鞑ㄐ稳鐖D2所示，其工作原理是將輸入電壓的波形通過導(dǎo)通角切波之后，產(chǎn)生一個切相的輸出電壓波形[2]。應(yīng)用切相的原理，可減少輸出電壓的有效值，以此來降低普通負(fù)載（電阻負(fù)載）的功率，通常分為前切與后切2種方式。

圖1 LED輸出相對光強(qiáng)與正向電流的關(guān)系Fig.1 Relation between relative luminous intensity of LED output and forward current

圖2 TRAIC調(diào)光電路及工作輸出波形Fig.2 TRAIC dimming circuit and its output waveform

在LED驅(qū)動電路中應(yīng)用TRAIC調(diào)光器最大的問題在于調(diào)光器的兼容性。針對TRAIC調(diào)光器的特點(diǎn)，必須在LED驅(qū)動電路中增加有源泄放或無源泄放電路，以提供擎住電流和維持電流；采用兼容TRAIC調(diào)光的LED驅(qū)動控制芯片，合理調(diào)整控制芯片的參數(shù)。如果設(shè)計不當(dāng)，由大功率開關(guān)器件構(gòu)成的TRAIC調(diào)光器和 LED驅(qū)動電路會相互影響，出現(xiàn)可見閃爍[6]。

TRAIC破壞了正弦波形，降低了功率因數(shù)，而且加大了諧波系數(shù)[5]，很多兼容現(xiàn)有TRAIC調(diào)光器的芯片和方案自稱有PFC，但并沒有包括TRAIC在內(nèi)的整個系統(tǒng)的功率因數(shù)。所有兼容TRAIC的LED調(diào)光系統(tǒng)整流效率都很低，其LED驅(qū)動控制芯片只能兼容TRAIC調(diào)光器的一部分，在調(diào)光角度小時易閃爍，完全破壞了LED的高效能。

TRAIC調(diào)光雖然有許多缺點(diǎn)，但因其前期已經(jīng)占據(jù)了很大的調(diào)光市場，只要換上帶兼容TRAIC調(diào)光功能的LED燈具即可，不需要改變原照明線路，也不需要重新安裝調(diào)光器。TRAIC調(diào)光是具有半個多世紀(jì)的陳舊技術(shù)和早期技術(shù)，將其應(yīng)用于LED調(diào)光照明是過渡性的，不值得推薦。

1.2 模擬調(diào)光

模擬調(diào)光是通過改變LED驅(qū)動的輸出電流來控制LED燈的亮度。通常是通過調(diào)整恒流驅(qū)動控制芯片調(diào)光端口的電壓來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵撔酒继峁┮粋€調(diào)光電壓控制端口，只要改變輸入控制電壓就可以改變電源的輸出恒流值，也就是改變了比較器的基準(zhǔn)源。

圖3是隔離反激0～10 V調(diào)光LED驅(qū)動電路，通過改變芯片電流基準(zhǔn)端口（IREF）的電壓來改變輸出電流，優(yōu)點(diǎn)是簡單、方便、實(shí)用和動態(tài)速度快。但是電路復(fù)雜、效率低下，在調(diào)光信號低時電路會不穩(wěn)定。

圖3 隔離反激0～10 V調(diào)光LED驅(qū)動電路Fig.3 Circuit of 0～10 V isolated flyback and dimming LED driver

圖4是非隔離Buck降壓型線性調(diào)光LED驅(qū)動電路，在芯片的線性調(diào)光輸入端口（LD）施加電壓或調(diào)節(jié)外置SW，就可以方便地控制流過LED的電流。此方式控制簡單、成本低，非隔離的Buck基本工作在DCM模式，通過監(jiān)測CS上的Ipk得到平均電流[4]。但基準(zhǔn)電壓很低時，很難檢驗(yàn)到信號，易出錯，精準(zhǔn)度低。

圖4 非隔離Buck降壓型線性調(diào)光LED驅(qū)動電路Fig.4 Circuit of non-isolated Buck step-down,linear,and dimming LED driver

由于模擬調(diào)光是直接調(diào)整LED的正向電流，改變正向電壓值，故調(diào)亮度的同時也會改變其光譜和色溫，雖然在實(shí)際照明中影響不大，但也無法精確調(diào)光，不能適應(yīng)復(fù)雜調(diào)光曲線的要求。

1.3 PWM調(diào)光

PWM調(diào)光是基于LED是一個二極管，可以實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)，速度高達(dá)微秒以上，是任何發(fā)光器件所無法比擬的。因此，只要把電源改成脈沖恒流源，用改變脈沖寬度的方法，就可以改變其亮度。

如圖5所示，PWM調(diào)光時，PWM信號輸入控制芯片的PWMDIM端口，控制芯片通過檢測PWM信號占空比變化來調(diào)制和改變功率場效應(yīng)管的柵極信號，控制與LED串聯(lián)的功率場效應(yīng)管快速開通與關(guān)斷，從而達(dá)到調(diào)節(jié)LED電流大小的目的。圖6是PWM信號與LED電流波形占空比變化。

圖5 PWM信號驅(qū)動MOS管開通關(guān)斷LED電路Fig.5 LED circuit with PWM signals to switch on/off the MOS tube

圖6 PWM信號與LED電流波形占空比變化Fig.6 Variations in PWM signals and LED current duty cycle

PWM調(diào)光不會產(chǎn)生色譜偏移，調(diào)光范圍寬，精度高，調(diào)制頻率高時不會發(fā)生閃爍現(xiàn)象，可以和數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合，但要注意合理選擇PWM信號頻率及消除調(diào)光引起的嘯叫。PWM調(diào)光技術(shù)目前被認(rèn)為是最有前景的LED調(diào)光技術(shù)。

2 高效率低紋波PWM調(diào)光LED驅(qū)動設(shè)計

2.1 設(shè)計指標(biāo)及方案選擇

根據(jù)功率因數(shù)指標(biāo)的要求，單極高PF反激拓?fù)浜蛦螛OBuck+Boost低紋波控制電路2種方式的調(diào)光功能均需由前級電路實(shí)現(xiàn)，且輸入調(diào)光部分沒有電解電容，雷擊實(shí)驗(yàn)或是PWM調(diào)光抗干擾較難實(shí)現(xiàn)。低紋波控制的MOSFET工作在線性區(qū)域，損耗較大，通常會影響2%的效率，需采用更合理、簡潔的方案實(shí)現(xiàn)調(diào)光要求。

2.1.1 主要設(shè)計指標(biāo)

輸入 AC 90～267 V，47～63 Hz，PF 大于 0.9； 輸出DC 156～174 V，114 mA；效率大于 93%；起機(jī)時間 0.5 s；輸出紋波電流5%；PWM調(diào)光功能實(shí)現(xiàn)如圖7所示的調(diào)光曲線，調(diào)光占空比以1%的步進(jìn)變化，不能閃爍。

圖7 其他PWM調(diào)光曲線Fig.7 Other PWM dimming curve

2.1.2 方案選擇

本設(shè)計主電路采用Boost+Buck方案，將輸入的寬電壓升為固定高壓，再經(jīng)Buck降壓，調(diào)光功能由Buck和MCU電路實(shí)現(xiàn)。

由于兩級方案實(shí)現(xiàn)快速啟動與時序控制相矛盾，所以采用對母線電壓實(shí)時采樣，通過合理的時序控制提高可靠性；Boost將電壓升至一定高壓后，再讓后級Buck工作[7]，如圖8所示。

圖8 開機(jī)PFC電壓與LED電流波形時序Fig.8 Time-sequences of PFC voltage and LED current waveform

2.2 電路結(jié)構(gòu)框圖及基本工作原理

交流電AC 90～264 V經(jīng)EMI濾波，經(jīng)橋式整流為脈動的直流電壓；Boost APFC電路對輸入電流進(jìn)行功率因數(shù)校正并輸出恒定的高壓直流電，經(jīng)Buck降壓恒流電路輸出恒定電流給LED負(fù)載，其輸出平均電流與PWM調(diào)光信號占空比有關(guān)[3]。PWM調(diào)光控制電路對PWM調(diào)光信號進(jìn)行調(diào)制，使其占空比與LED負(fù)載電流變化符合調(diào)光變化曲線的要求，同時處理調(diào)光過程和開、關(guān)機(jī)反時序的一系列問題。高壓Buck輔助供電電路為各控制電路提供工作電源，其結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

圖9 電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.9 Block diagram of circuit structure

2.3 Boost APFC及輔助供電電路

如圖10所示，Boost APFC電路控制芯片采用臨界電流工作模式的功率因數(shù)校正芯片MP44014[8]，其主要功能是：臨界模式PFC控制；精確可調(diào)輸出過電壓保護(hù)，F(xiàn)B 開路保護(hù)；超低（15 μA）啟動電流；-750/+800 mA門驅(qū)動電流。

該電路具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、工作穩(wěn)定可靠、PF值高和THD值低的特點(diǎn)。橋式整流后的脈動直流電經(jīng)Boost APFC電路輸出恒定直流電壓400 V，基本消除了低頻紋波[10]，保證后級電路輸出的LED電流中的低頻紋波電流分量在5%以內(nèi)，同時輸入電路的功率因數(shù)達(dá)到0.9以上。

高壓Buck輔助供電電路控制芯片采用MP 170，其具備的主要功能是：恒壓控制，支持Buck，Buck-Boost和Flyback拓?fù)洌粌?nèi)置700 V MOSFET；內(nèi)部高壓電流源；低待機(jī)功耗，輸出功率可達(dá)2 W；輸出電流可達(dá)200 mA；SOT23-5和SOIC8封裝。該電路將高壓直流400 V轉(zhuǎn)換為低壓直流15 V，為各控制電路快速地提供電源，使LED驅(qū)動的起機(jī)時間小于0.5 s。

2.4 有PWM調(diào)光功能的LED恒流驅(qū)動電路

圖10 Boost APFC及輔助供電電路Fig.10 Circuit of Boost APFC and auxiliary power supply

LED恒流驅(qū)動電路同樣采用支持PWM調(diào)光的高精度降壓型LED恒流驅(qū)動芯片MP4700，其具備的主要功能是：工作電壓8～18 V，VCC欠壓保護(hù)；PWM 調(diào)光控制，調(diào)光頻率100 Hz～2 kHz；最高工作頻率可達(dá)160 kHz；輸入母線電壓欠壓保護(hù)；輸出短路保護(hù)，過熱保護(hù)；外置功率MOS，門極驅(qū)動電流可達(dá)1.2 A。

Buck降壓恒流電路如圖11所示，基本工作原理為：+15 V電壓接入VIN腳，經(jīng)內(nèi)部的LDO轉(zhuǎn)換為8.5 V的VCC電壓，當(dāng)直流母線電壓達(dá)到芯片INUV腳的設(shè)定電壓、MOS管Q8導(dǎo)通時，輸入電流經(jīng)負(fù)載LED、電感 L5、MOS管 Q8、檢測電阻 R53流入到地，此時電感電流線性上升，儲存能量。當(dāng)檢測電阻上的電壓達(dá)到芯片CS腳的檢測電壓、MOS管關(guān)閉時，電感電流通過二極管D7與電容EC3一起為負(fù)載LED供電，此時電感電流從峰值線性下降，電感電流的平均值為輸出電流，即ILED=1/2·IL_PEAK。

圖11 Buck降壓恒流電路Fig.11 Buck constant-current circuit

Buck芯片PWM調(diào)光工作原理與前文介紹一致，主電路工作頻率100 kHz，PWM信號為1 kHz。當(dāng)PWM信號為高電壓時，主電路工作；當(dāng)PWM信號為低電平時，主電路關(guān)閉。因此PWM 1 kHz信號對芯片DRIVE腳驅(qū)動100 kHz信號進(jìn)行調(diào)制，通過調(diào)整PWM占空比來改變相同IPK電流下的輸出波形個數(shù)，也就是改變了平均電流，實(shí)現(xiàn)調(diào)光原理，其工作波形如圖12（a）所示，調(diào)光曲線如圖12（b）和（c）所示。

經(jīng)實(shí)際實(shí)驗(yàn)測試，在芯片PWM腳輸入占空比為0～100%調(diào)光信號，其工作波形及調(diào)光曲線與圖12（a）一致。同時，在PWM信號頻率較高且占空比低于50%時，明顯目測到調(diào)光過程中LED燈的亮度出現(xiàn)段調(diào)光現(xiàn)象，電流波形呈階梯狀，如圖13所示；在PWM信號頻率較低且占空比低于50%時，LED負(fù)載電流中的紋波電流比頻率高時還高出幾倍，這些缺點(diǎn)在許多實(shí)際應(yīng)用中是不被接受的。

圖12 MP4700調(diào)光工作波形及調(diào)光曲線Fig.12 Working waveforms and dimming curves of MP4700

圖13 高PWM信號頻率調(diào)光時LED電流波形Fig.13 LED current waveform of higher PWM signals during dimming

出現(xiàn)段調(diào)光的原因是由于Buck型PWM調(diào)光工作原理為調(diào)制型，假設(shè) f=100 kHz、T=10 μs，而PWM 調(diào)制信號 f=1 kHz、T=1 ms，D=1%時Ton=10 μs，D=2%時 Ton=20 μs，以此類推，LED 的特性在很微小的電流下也會工作，所以占空比在1%～5%變化時，對應(yīng)電流的變化量為100%～20%，通過肉眼可以明顯看到這個變化量。

另外，這種直接在Buck降壓恒流芯片的PWM腳輸入調(diào)光信號進(jìn)行調(diào)光的方式，只能實(shí)現(xiàn)圖12（c）所示的跟隨式調(diào)光曲線。PWM調(diào)光器的頻率通常是1 kHz，占空比可能是正向變化也可能是負(fù)向變化，調(diào)光器不是完全到0%或100%，所以無法滿足高要求的調(diào)光曲線需要。

2.5 改進(jìn)型隔離型PWM調(diào)光曲線的實(shí)現(xiàn)與控制

為解決上述問題，設(shè)計了如圖14所示的PWM調(diào)光改善型控制電路，采用單片機(jī)將輸入信號轉(zhuǎn)成所需的變頻信號，再控制Buck電路。該單片機(jī)主要功能特點(diǎn)是高性價比、低管腳、小封裝、寬工作電壓范圍、支持低功耗模式、內(nèi)部復(fù)位、內(nèi)部晶振頻率最高25 MHz、內(nèi)部低溫漂系數(shù)、1T指令執(zhí)行速度、高速采樣AD、10BIT精度和I/O口多種工作模式可選。單片機(jī)電源由輔助電源經(jīng)LDO輸出3.3 V供電。

圖14 PWM調(diào)光控制電路Fig.14 Circuit of PWM dimming control

PWM調(diào)光器的信號經(jīng)光電耦合器OP1隔離，三極管Q3放大整形，輸入單片機(jī)的PWM3腳，通過AD轉(zhuǎn)換寫入的程序進(jìn)行控制。當(dāng)芯片內(nèi)置程序檢測到有調(diào)光動作，即PWM信號占空比變化時，輸出的PWM信號變頻：調(diào)光時降低到100 Hz，用于增加在PWM占空比很小時的導(dǎo)通時間，導(dǎo)通時間變長后，可調(diào)制的主開關(guān)的個數(shù)增多，變化率變小；不調(diào)光或是休眠狀態(tài)下升高到2 kHz用于減少低頻紋波。根據(jù)調(diào)光曲線的要求對輸入的占空比進(jìn)行時時偵測和計算，輸出合適的占空比信號，輸入到Buck降壓芯片的PWM腳。同時芯片內(nèi)部程序?qū)δ妇€電壓進(jìn)行檢測，保證開、關(guān)機(jī)時序正確，防止開、關(guān)機(jī)時出現(xiàn)LED閃爍。

由于在設(shè)計程序時采用了變頻技術(shù)，所以調(diào)光時電流曲線很平滑，目測不到段調(diào)光現(xiàn)象；不調(diào)光時頻率是2 kHz，故只需小容量的電解電容就可以獲得理想的LED紋波電流。

實(shí)測改進(jìn)后調(diào)光電流波形如圖15所示。實(shí)測調(diào)光頻率100 Hz和2 kHz時LED紋波電流如圖16所示。

圖15 改進(jìn)后調(diào)光電流波形Fig.15 Improved dimming current waveform

圖16 100 Hz和2 kHz LED紋波電流Fig.16 LED ripple current of 100 Hz and 2 kHz

電路中采用光電耦合器使調(diào)光器的信號與電源隔離，是由于本研究的電源是非隔離電源，而調(diào)光器信號是低壓信號，PWM信號傳輸線較長，容易受到干擾；支持單只調(diào)光器同時控制幾只或幾十只LED調(diào)光燈具。

2.6 開發(fā)產(chǎn)品實(shí)際測試結(jié)果分析

測試結(jié)果：PF為 0.98/100 V AC，0.93/240 V AC；效率為93.2%（230 V AC）；起機(jī)時間 0.38 s，輸入 230 V；輸出紋波電流4.1%。調(diào)光曲線如圖17所示。根據(jù)以上數(shù)據(jù)得，實(shí)際開發(fā)產(chǎn)品符合設(shè)計要求。

圖17 實(shí)測調(diào)光曲線Fig.17 Measured dimming curve

3 結(jié)語

本文將變頻技術(shù)應(yīng)用到PWM調(diào)光控制方式中，解決了一般Buck降壓恒流電路PWM調(diào)光的固有缺陷。且根據(jù)調(diào)光曲線的要求和調(diào)光器信號采用不同的控制程序?qū)φ{(diào)光器的PWM信號進(jìn)行調(diào)制，使調(diào)光過程中LED燈亮度變化均勻柔和，減小了正常點(diǎn)燈時LED的紋波電流。該技術(shù)已被成功應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品中，并申請了相關(guān)專利。

致謝

本文中實(shí)驗(yàn)方案的制定和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量記錄工作是在浙江榆陽電子有限公司研發(fā)部全體工作人員的大力支持下完成的，在此表示衷心感謝。