中心議題：
- LED 特性、驅(qū)動要求及調(diào)光方式
- LED 驅(qū)動電路設(shè)計
- 智能調(diào)光裝置
解決方案：
- 基于HV9931 的LED 路燈驅(qū)動電路設(shè)計
摘要： 大功率LED 燈有節(jié)能高效等諸多優(yōu)點，很有發(fā)展前景，其驅(qū)動與調(diào)光是近年來研究的熱點，因此本文對LED 路燈進行了深入研究，針對其特性設(shè)計了LED 路燈的驅(qū)動電路和智能調(diào)光電路，進而構(gòu)成了LED 路燈系統(tǒng)。
驅(qū)動電路是由HV9931 控制的Buck - Boost - Buck 電路，直接由市電供電實現(xiàn)恒流驅(qū)動且?guī)в蠵FC 功能； 調(diào)光方式采用PWM 調(diào)光，用TLS2561 作為光強度傳感器，由PIC16C62 控制產(chǎn)生PWM 調(diào)光信號控制HV9931 實現(xiàn)智能調(diào)光。
實驗結(jié)果表明該電路轉(zhuǎn)換效率高，功率因數(shù)高，輸入電流的THD 小，白光LED 路燈光色純正而且節(jié)能，很有市場前景而且有進一步研究的價值。
1 引言
LED 被認為是綠色的第四代光源，是一種固體冷光源，具有高效、壽命長、安全環(huán)保、體積小、響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點， 目前已經(jīng)在城市景觀裝、交通信號與商業(yè)廣告上廣泛應(yīng)用。近年來隨著制造工藝的不斷發(fā)展， 大功率高亮度LED 性能不斷提升，價格不斷下降， 目前達到同樣的明明效果，LED 的耗電量大約是白熾燈的1 /10,熒光燈的1 /2[2].這些都使得其開始應(yīng)用于一般照明中， 而且很有發(fā)展前景，大有取代白熾燈和熒光燈這些傳統(tǒng)光源的趨勢，世博會上LED 燈的應(yīng)用可以說代表著這個方向。LED 調(diào)光可以節(jié)能，高亮度白光LED 的驅(qū)動和調(diào)光是近年來研究的熱點，本文在這方面進行了些研究， 并設(shè)計了一款帶有功率因數(shù)校正的LED 路燈驅(qū)動和智能調(diào)光系統(tǒng)。
2 LED 特性、驅(qū)動要求及調(diào)光方式
LED 的理論光效為300lm /W.目前實驗室水平達260lm /W,市場化水平在120lm /W 以上。高亮度LED 的一般導(dǎo)通電壓約為3. 0 ~ 4. 3V,但其核心仍是PN 結(jié)，其伏安特性與普通二極管相同。當加在LED 上電壓小于其導(dǎo)通電壓時，LED 上幾乎沒有電流通過。但當LED 導(dǎo)通后，其正向電流隨正向電壓按指數(shù)規(guī)律變化，很小的電壓波動就會引起很大的電流變化。在導(dǎo)通區(qū)電壓從額定值的80% 上升到100% ,電流則從其額定值的0% 上升到100%.
圖1 LED 相對光通量與正向電流關(guān)系[page]
圖1 是LED 相對光通量和其正向電流IF 的關(guān)系圖。圖中可以看出LED 的光通量和其正向電流成正比的關(guān)系，因此可能通過控制LED 的正向電流來控制其發(fā)光亮度。LED 若采用恒壓源驅(qū)動，很小的電壓變化將引起很大的電流變化，因此恒壓驅(qū)動只適用于要求不高的小功率的場合下。在要求高的場合和大功率的場合下LED 都要采用恒流驅(qū)動。研究表明，LED 發(fā)光亮度隨工作時間下降，亮度下降后光效隨電流的增加而減少，LED 的亮度與驅(qū)動電流成飽和關(guān)系。LED 的電流達到其額定電流的70% ~80% 后，很大比例的電流轉(zhuǎn)化成了熱能，因此LED的驅(qū)動電流宜為工作電流額定電流的70% ~80%。在恒壓驅(qū)動或PWM 調(diào)光中， 最大電流不宜超過最小電流的3 倍，否則的話沖擊電流會大大減少LED 的使用壽命[8].目前來說市場化單個LED的功率都不大，大都在10W 以下，實際用于照明是把多個LED 按一定方或串并聯(lián)之后形成LED 陣列。
從圖1 也可得出， 改變LED 的電流即可改變LED 的亮度。改變電流有兩種方式，相應(yīng)的LED 調(diào)光也有兩種方式。一種是連續(xù)調(diào)節(jié)LED 中電流的大小來改變LED 的亮度，這種方式稱之為模擬調(diào)光，通過LED 中的電流是連續(xù)的； 另一種是通改變LED流過電流的時間與關(guān)斷的時間之比來改變LED 的亮度，LED 流過電流時電流是恒定的， 關(guān)斷時流過LED 的電流為零，這種方式稱為PWM 調(diào)光，它是通過人眼察覺不到的頻率快速的開關(guān)LED,開關(guān)頻應(yīng)不小于100Hz.兩種調(diào)光方式當流過LED 中的平均電流相同時，其效果是一樣的。由于LED 在某一大小特定的電流時會發(fā)出最純的白光，隨著電流偏離這個值，會有色偏。另外，LED 的響應(yīng)時間只有幾納秒到幾十納秒，很適合頻繁開關(guān)的場合，所以LED 調(diào)光以PWM 調(diào)光方式好，此外這種方式還有利于LED 散熱。
3 LED 驅(qū)動電路
3. 1 LED 驅(qū)動電路分類
從LED 的驅(qū)動供電可將其驅(qū)動分為AC /DC 型和DC /DC 型，而LED 要求直流供電，AC 供電時要把交流轉(zhuǎn)化成直流后再驅(qū)動LED,所以我們只要研究DC /DC 型即可。DC /DC 型的LED 的驅(qū)動方式可分為電阻限流型，線性穩(wěn)壓電源型，電容電荷泵電路和電感開關(guān)變換電路。電阻限流將電阻和LED 串連，通過電阻的分壓限流和驅(qū)動LED 燈，這種方式控制精度不能保證，同時有大量電功率浪費在電阻上，只在要求不高的低壓場合下使用。線性穩(wěn)壓電源精度比電阻限流型高一些，但同樣存在效率低的問題，實際中用的也不多。實際中用得多的是電荷泵電路和電感式開關(guān)變換電路。
電荷泵電路利用電容對電荷的累積效應(yīng)儲存電能，把電容作用能量耦合元件，通過控制電力電子器件高頻的開關(guān)進行切換，在時鐘周期的一部分時間內(nèi)讓電容儲能，在時鐘周期的剩余時間內(nèi)電容釋放能量。這種方式是通過電容的充電和放電時的不同連接方式得到不同的輸出電壓。電感式開關(guān)變換電路又稱為開關(guān)電源，是通過控制功率開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷的時間關(guān)系來改變輸出電壓的，電感和電容一般作為濾波元件，使輸出穩(wěn)定。相比較而言電荷泵型使用元件少，成本低，體積小，但其使用的開關(guān)元件多，效率相對低些，輸出電壓在輸入電壓的1 /3 ~ 3 倍這個變化范圍，輸出功率較小，所以其多用在小功率場合下； 而開關(guān)電源開關(guān)元件相對較少，效率高，可實現(xiàn)大范圍的電壓輸出，且輸出電壓連續(xù)可調(diào)，輸出功率大，因此適用范圍更廣，特別在中大功率場合下是首選。開關(guān)電源的拓撲很多，LED 驅(qū)動電路中用得多的有Boost 電路，Buck-Boost及Buck 電路。
3. 2 基于HV9931 的LED 路燈驅(qū)動電路設(shè)計
LED 驅(qū)動的芯片目前已經(jīng)有一些了。LED 路燈相對來說功率較大，而且是通過市電交流供電的，國家規(guī)定，功率達到一定值時要有功率因數(shù)校正裝置，此外設(shè)計的LED 路燈要有調(diào)光功能以節(jié)能。基于上述考慮， 這里選用Supertex 公司的HV9931 作用驅(qū)動芯片。HV9931 是種的8 引腳的PWM 集成控制器，有如下功能與特點： （ 1） 輸出電流恒定，適用于LED 恒流驅(qū)動； （ 2 ） 允許大范圍的8 ~ 450V的大范圍的直流輸入電壓，且有較大的降壓比，因此用市電供驅(qū)動LED 燈時可不用變壓器； （ 3） 有功率因數(shù)校正功能，能獲得單位功率因數(shù)和低輸入電流諧波，達到國家規(guī)定，環(huán)保； （ 4） 有PWM 調(diào)光和模擬調(diào)光功能，驅(qū)動LED 時可方便地實現(xiàn)調(diào)光控制，符合節(jié)能要求； （ 5） 振蕩器有固定頻率和固定關(guān)斷時間兩種工作方式。
圖2 基于HV9931 的LED 路燈驅(qū)動電路[page]
驅(qū)動電路如圖2 所示，為開關(guān)電源驅(qū)動方式。
主電路是一個單級單開關(guān)的非隔離恒流輸出的Buck-Boost-Buck 電路。由L1、C1、D1、D5 和Q1組成的Buck-Boost 電路是輸入級，工作于不連續(xù)導(dǎo)電模式； 由C1、Q1、D2、D4 及L2 組成的Buck 電路是輸出級，工作在連續(xù)導(dǎo)電模式下。兩級共用一個功率開關(guān)管Q1, 電容C1 對輸入級相當于負載，對輸出級相當于直流電源。系統(tǒng)降壓比為兩級降壓比之乘積，這樣由市電供電不需要變壓器就能實現(xiàn)較低的電壓輸出。開關(guān)Q1 導(dǎo)通時， 輸入級Buck-Boos 電流路徑： 整流電壓→D1→L1→Q1→Rs1,L1中電流線性增加， 輸出級Buck 電路電流路徑為：
C1→Q1→Rs2→LED→L2,C1 提供能量； Q1 關(guān)斷時，輸入級電流路徑： L1→C1→D5→D1,L1 中的能量轉(zhuǎn)到C1 中，由于D1 存在，L1 電流不能反向，L1 電流降為0 后電流斷續(xù)； 輸出級電流路徑： L2→D4→LED,由于參數(shù)設(shè)置不同，L2 中電流不僅不會變?yōu)?,而且波動相對比較小。
電路工作于峰值電流模式下， 振蕩器使GATE輸出高電平， 使Q1 通導(dǎo)通； CS1 和CS2 端子分別是HV9931 內(nèi)部的兩個電壓比較器的反向輸入端，兩個比較器的同向輸入端在芯片內(nèi)部接地，電路通過CS1 和CS2 端子同時檢測輸入電流和輸出電流，CS1 是輸入電流信號檢測端子，CS2 輸出電流信號檢測端子，這兩個端子只要有一個端子上的電壓比地低，GATE 端子就輸出低電平，Q1 就關(guān)斷。VDD是芯片的基準電壓輸出引腳，Rs1、Rcs1 和Rref1 可編程設(shè)定L1 中的最大峰值電流， Rs2、Rcs2 和Rref2 可編程設(shè)定輸出電流。在交流電的周期內(nèi)可認為占空比和開關(guān)頻不變，故輸入電流峰值包絡(luò)線為正弦波，平均電流為正弦波，可實瑞功率因數(shù)校正。
C2 為輸入電容，用作高頻旁路，若用大電容則電路喪失功率因數(shù)校正功能。RT 對應(yīng)著內(nèi)部振蕩器，有兩種接法，分別設(shè)定恒定工作頻和恒定的關(guān)斷時間，圖中采用的是恒定的關(guān)斷時間的接法。PWMD 引腳為數(shù)字調(diào)光信號輸入引腳，該引腳為高電平時電路正常工作，該引腳為低電平時GATE 引腳始終輸出低電平，開關(guān)管Q1 斷，驅(qū)動電路不工作。
4 智能調(diào)光裝置
設(shè)計的系統(tǒng)若能根據(jù)環(huán)境光照的強弱來改變自身亮度，則會相應(yīng)的節(jié)能，符合當前低碳生活的要求。環(huán)境光線最差時，設(shè)計系統(tǒng)調(diào)光信的PWM 占空比接近100% （ 為不致使溫度上升過高，留一定裕量） 時使LED 最亮滿足照度要求； 當環(huán)境光照變化時會根據(jù)外部光照的強弱自動改變調(diào)光信號的PWM 的占空比，使LED 相應(yīng)的暗一些，但照度滿足要求； 另外，在深夜人比較少時可適當降低亮度。
實現(xiàn)這一要求要有一個好的光強度傳感器。光敏電阻線性度差，頻率響應(yīng)低，光敏三極管靈敏度高，但溫度特性和線性度差系統(tǒng)設(shè)計選用TLS2561作為光電強度傳感器。TLS2561 接近人眼對亮度的反應(yīng)，能直接將光強度信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號輸出，有可編程中斷功能和標準的I2C 接口，能方便地與單片機相連。單片機選用微芯公司的PIC16C62.這種單片機性能穩(wěn)定，帶有PWM 輸出，能方便地實現(xiàn)I2C 總線通信。光強度傳感器TLS2561 將光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送至單片機，經(jīng)單片機處理產(chǎn)生調(diào)光的PWM信號，調(diào)光PWM 信號送至HV9931 的PWMD 端，以實現(xiàn)PWM 調(diào)光。調(diào)光部分如圖3 所示。
圖3 調(diào)光系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)還設(shè)計還考慮到的溫度的影響。LED 在相同電流下， 隨著PN 結(jié)溫度的升高光通量將降低，同時還會影響LED 使用壽命。所以系統(tǒng)中還加入的溫度傳感器， 溫度信號同樣送至PIC16C62 處理，也會影響到其輸出的PWM 調(diào)光信號的占空比。這個不是本設(shè)計的主要問題，不詳細敘述。
5 實驗結(jié)果
系統(tǒng)設(shè)計功率為72W,采用72 個1W 的高亮度LED 燈每24 個串聯(lián)后再并聯(lián)而成。輸出最大光強時設(shè)計PWM 調(diào)光信號占空比為90% ,此時測得LED中總電流平均值為932mA; LED 驅(qū)動電路工作時開關(guān)管工作頻率為100kHz,驅(qū)動電路效率為75% ,輸入電流THD 小于20% ,功率因數(shù)大于0. 9,光電轉(zhuǎn)換效率約95lm /W; 調(diào)光用PWM 信號頻率為120Hz,比不用智能調(diào)光電路時約節(jié)能9%.圖4 給出了調(diào)光PWM 占空比為50% 時LED 中的電流波形。
圖4 調(diào)光PWM 占空比為50% 時LED 中的電流波形
6 結(jié)論
本文設(shè)計的LED 路燈驅(qū)動電路采用市電供電且不用電源變壓器，驅(qū)動電路體積大為減少。驅(qū)動電路實現(xiàn)恒流驅(qū)動的同時帶有PFC 功能，符合當前綠色環(huán)保的要求，而且驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換效率高，電路較新穎； 智能調(diào)光電路采用PWM 調(diào)光方式，LED 發(fā)出較純的白光，不產(chǎn)生色偏。智能調(diào)光電路節(jié)能效果較為顯著。設(shè)計的實際電路有較好的前景與市場，不足之處在于成本略高，但隨LED 制造工藝的不斷改進和驅(qū)動調(diào)光電路研究的不斷深入相信這個問題會得到很好的解決。
