一種智能LED調光控制策略研究

陳偉，林國慶，李俊

(福州大學電氣工程與自動化學院，福建 福州 350108)

1 引言

LED憑借其發光亮度好、電能利用率高等優點，被廣泛應用于多種照明場合[1-3]。適合應用于大功率LED驅動電源的兩級式結構前級實現功率因數校正，后級實現恒流輸出，相對于單級更容易實現對LED調光。在后級結構中常用的LLC諧振變換器具有零電壓開關、效率高等優點，但為變頻控制，電感及高頻變壓器較難設計，變換器輕載效率較低，而且難于實現寬范圍輸出；CLCL諧振電路在恒定頻率控制下具有輸出恒流特性，控制簡單，常用于大功率的LED驅動電源中。

在LED照明場合應用調光技術，不僅可以減少能源損耗，還可以改善視覺效果。目前，應用較為廣泛的LED調光技術有模擬調光、可控硅調光以及PWM調光等[4]。人們越發期待照明系統的智能化與人性化，使用智能化的設備，如Zigbee技術[5-6]，對燈光的亮度等方面進行調節，結合科學管理和現代藝術來營造繽紛多彩的照明環境[7]。

本文基于CLCL恒流諧振網絡的恒流特性，研究一種Zigbee無線通信技術與脈沖密度調制相結合的智能LED調光技術，實驗結果表明在實現高功率因數的基礎上，可以實現LED的調光控制。

2 電路與工作原理

圖1所示為本文所設計的兩級式驅動電路，由Boost PFC電路和半橋CLCL諧振變換器組成。Boost PFC實現功率因數校正，半橋CLCL諧振變換器為LED燈提供恒流驅動。

圖1 兩級式驅動電路

2.1 Boost PFC電路工作原理

圖2為臨界模式Boost PFC控制原理圖，包含電壓外環和電流內環，電壓環實現恒壓輸出，電流環使輸入電流峰值跟隨輸入電壓，實現功率因數校正。

圖2 BCM模式Boost PFC電路原理圖

圖3為工作在臨界模式的Boost電感電流波形，圖3(a)是半個工頻周期的電感電流波形，圖3(b)為一個開關周期的電感電流波形。

圖3 Boost電感電流波形

2.2 半橋CLCL諧振變換器特性分析

如圖4所示為半橋CLCL諧振變換器電路結構圖，Q1、Q2組成電壓型半橋開關網絡，將PFC輸出電壓Udc轉換成頻率與半橋開關頻率相同的高頻方波信號。恒流網絡由電容Cr，Cs電感Lr，Ls串并聯組成，將開關網絡的輸出方波信號變換成高頻交流信號。最后經過均流電容Cb和整流濾波電路后為兩路LED負載提供恒定且均衡的工作電流。

圖4 半橋CLCL諧振變換器電路結構圖

當CLCL諧振網絡工作在諧振頻率時，原邊電流只有基波分量向副邊傳送能量，其他各次諧波分量的電流增益幾乎為零。因此采用基波分析法對CLCL諧振變換器進行分析。可得半橋CLCL諧振變換器交流基波等效模型，如圖5所示。u1為諧振回路輸入電壓基波分量，其頻率與開關頻率相等，Req為LED等效負載折算到變壓器原邊的等效電阻。

圖5 半橋CLCL諧振變換器交流基波等效模型

用向量法對上節得到的交流基波等效模型進行分析，可得到CLCL諧振網絡的電流增益(MI)與基波角頻率(ωs)、各諧振參數、等效負載(Req)之間的關系式:

3 控制策略

圖6所示為控制電路結構圖，將輸出電流反饋引入到PFC控制電路，控制PFC電路主開關管工作，提高LED恒流精度，虛線框內為恒流網絡的恒流控制與智能調光控制框圖。

圖6 控制電路結構圖

3.1 脈沖密度調制原理

根據調光功能的設計要求，結合半橋CLCL諧振變換器的恒流工作特性，采用脈沖密度調制(Pulse Density Modulated，PDM)對輸出電流進行調節，從而實現對LED燈的調光控制。圖7為PDM調光控制原理圖，um為調制波，ugs1，ugs2為Q1，Q2驅動波形。在調制頻率范圍內一部分時間(D/fm)連續控制Q1和Q2工作，用N表示在一定的調制周期內可以產生的總驅動脈沖個數，M為調制周期內輸出的驅動脈沖個數。即可得:

圖7 PDM調光控制原理

式中D=M/N為PDM調制比，式(2)表明，輸出電流與調制比(D)近似成正比。在固定的周期內每增加或減小一個脈沖，調制比改變了1/N，因此調制周期越大輸出的調光精度越高。本文采用的恒流頻率為fs=100kHz即Q1和Q2的開關頻率，選擇的調制頻率為fm=1kHz，此時PDM的調光分辨率約為1%。

3.2 Zigbee無線通信技術

Zigbee無線通信技術以低功耗、低成本和容量大等優點成為當今研究的熱點。將Zigbee無線通信技術與PDM相結合實現對LED的智能調光。圖8為Zigbee技術運用于LED照明系統的智能無線調光系統框圖。

圖8 Zigbee無線調光系統框圖

驅動電源的調光過程如下:在沒有調光指令時驅動電源滿載輸出，LED燈電流最大。當上位機發出調光信號，數字單片機捕捉到Zigbee終端模塊發送的PWM調光信號后，做出相應的脈沖密度調制使LED燈電流平均值按照調制比(D)改變，實現了對LED燈智能調光控制。

3.3 調光程序設計

程序流程圖如圖9所示，軟件設計主要是由主程序和各種子程序構成，首先要對各功能模塊進行初始化，進入程序等待過程。接著進行過壓保護，對輸出電壓采樣分析判斷電路輸出是否過壓。然后單片機接收到從Zigbee終端模塊上輸出的PWM調光信號，進入到調光中斷子程序，將接收到的PWM調光信號，通過查表的方式轉化為電流基準值和半橋驅動脈沖個數，最終產生相應的驅動信號，從而實現調光控制。

圖9 程序流程圖

4 實驗結果

圖10所示為不同輸入電壓下輸入電壓和電流波形，可以看出輸入電流與輸入電壓相位基本一致，功率因數較高。圖11為額定輸出情況下，不同輸入電壓時Boost升壓電感Lb的電流波形及展開圖，可見電感電流工作在臨界導電模式且峰值近似為正弦包絡。

圖10 輸入電壓、電流波形

圖11 整流輸出電壓與電感Lb電流波形及展開圖

為了驗證調光方案的可行性，上位機發出調光信號，在輸入電壓為85V、220V、265V時分別測試了調光亮度為100%、75%、50%、25%的數據，如表1所示，輸出電流平均值逐漸減小，基本呈線性關系。燈電流最大誤差小于1.2%，可以實現智能調光。

表1 調光實測數據

如圖12為額定燈電壓，且PDM調制比分別為75%、50%、25%時半橋開關管Q2驅動電壓波形和LED燈電流波形，其中ugs2為Q2驅動電壓，Idim是調光時單路燈電流波形。

圖12 調光過程中驅動電壓ugs2和單路燈電流Idim波形

5 結論

本文設計了一種兩級式LED驅動電源，針對CLCL恒流諧振網絡特性研究了一種智能LED調光控制策略，將Zigbee無線通信技術與脈沖密度調制相結合，實現對LED的智能調光控制，最后搭建一臺108W的原理樣機，實驗結果表明所研究的變換器可以實現高功率因數，在進行調光時燈電流最大誤差小于1.2%，驗證了所提方案的可行性。