一種PWM調(diào)光LED照明電路設(shè)計(jì)

[摘 要] 介紹了室內(nèi)環(huán)境的照明設(shè)計(jì)方案，圍繞輸入功率、光輸出、光效、使用壽命、環(huán)境溫度等LED燈相關(guān)參數(shù)要求展開。根據(jù)LED燈的參數(shù)計(jì)算滿足要求所需的數(shù)量，再考察恒壓供電和恒流供電，確定LED顆粒的供電方式；然后考察模擬調(diào)光和PWM調(diào)光，從中確定LED的調(diào)光方式，并對(duì)課題的雙路PWM創(chuàng)新點(diǎn)設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電路。

[關(guān) 鍵 詞] LED照明；驅(qū)動(dòng)電路；PWM調(diào)光

[中圖分類號(hào)] G718 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2017）19-0061-01

一、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求

相較于傳統(tǒng)的照明方式，LED照明有很多優(yōu)點(diǎn)，比如節(jié)能、光效高、色彩豐富、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快等。LED的壽命可長(zhǎng)達(dá) 50000 小時(shí)以上，同時(shí)白光LED的發(fā)光效率目前超過60lm/W，具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。雖然在現(xiàn)階段，LED的成本仍然偏高，不過隨著科技的進(jìn)步，前景會(huì)越來越光明。

雖然LED還無法取代傳統(tǒng)的照明燈具，但是這一天遲早會(huì)到來。本文介紹了將高功率LED應(yīng)用到燈具中的一般流程，并以TI的TPS61161-Q1產(chǎn)品為例，重點(diǎn)討論P(yáng)WM調(diào)光驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和利用雙路輸出巧妙提高PWM調(diào)光頻率。

（一）確定設(shè)計(jì)目標(biāo)

LED燈必須達(dá)到或超過目標(biāo)應(yīng)用的照明要求。所以，在設(shè)計(jì)之前，必須確定照明要求。設(shè)計(jì)時(shí)需要LED中的光輸出、功率、光效、壽命最高、環(huán)境溫度等的一些特征。其中，光輸出和功率是最重要的兩個(gè)參數(shù)，可用來確定驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案。

（二）計(jì)算LED數(shù)量

設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)重要參數(shù)是滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)所需的 LED 數(shù)量。其他設(shè)計(jì)都是圍繞著 LED數(shù)量展開，它直接影響光輸出、功耗以及燈具的成本?？紤]光系統(tǒng)、熱系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)的效率，本設(shè)計(jì)光輸出實(shí)際效率大約為76.5%，實(shí)際光輸出為850lm。LED則使用 4000-K色溫的 XLamp XR-E LED，350mA最小光通量為67.2 lm。LED數(shù)量因?yàn)?3顆，考慮到國(guó)外習(xí)俗，14顆是個(gè)比較合適的選擇。

二、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案

為了使LED亮度隨使用場(chǎng)景的不同而改變，LED驅(qū)動(dòng)電路也需支持亮度調(diào)節(jié)。LED的亮度主要由通過其的正向電流控制，而LED上的電壓降變化并不均勻，故調(diào)光性能的優(yōu)化要從精確控制電流方面入手。

（一）調(diào)光方式的選擇

市面上主流的調(diào)光方式有模擬調(diào)光和PWM調(diào)光。模擬調(diào)光是線性調(diào)光模式，通過成比例的調(diào)節(jié)LED正向電流來改變亮度，易于設(shè)計(jì)，也沒有潛在的EMC/EMI風(fēng)險(xiǎn)。但是根據(jù)LED的特性，隨著LED正向電流的改變，人眼能感受到明顯的色譜偏移。因此，LED制造商都會(huì)給出推薦的正向電流范圍。

為了獲得最好的亮度和色譜，市面上一般采用的是PWM調(diào)光，通過調(diào)節(jié)LED正向電流的占空比來改變亮度。如果調(diào)光頻率高于人眼的敏感范圍（>100Hz），我們可以對(duì)導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行平均來計(jì)算有效亮度。

由于現(xiàn)成LED調(diào)光芯片已上市銷售，并有參考電路設(shè)計(jì)，所以，使用現(xiàn)成的LED調(diào)光芯片將使設(shè)計(jì)周期最短。所有零部件都已通過EMI和安規(guī)測(cè)試，一般而言更具有成本優(yōu)勢(shì)?？捎玫拈_發(fā)資源和目標(biāo)效率通常決定了電氣系統(tǒng)的選擇。如今，在高功率LED越來越多的情況下，總體燈具光效的提高受LED本身的影響比受驅(qū)動(dòng)器的影響要大。

（二）驅(qū)動(dòng)IC的選擇

由于PWM調(diào)光是一個(gè)純數(shù)字的調(diào)光方式，在普通的調(diào)光方案中，開關(guān)頻率范圍小于500 kHz，陶瓷電容的壓電效應(yīng)和繞線線圈的震蕩，離散低頻調(diào)光周期可能會(huì)給系統(tǒng)帶來可以感知的噪聲。當(dāng)開關(guān)頻率在100 kHz和500 kHz之間時(shí)，人眼感受不到閃爍，但是會(huì)造成眼睛疲勞、頭痛等情況。故此，高于500 kHz的調(diào)光頻率是必須的，以防止EMI、噪音和顏閃效應(yīng)等。

市面上的LED驅(qū)動(dòng)IC，頻率越高，價(jià)格越高，兩個(gè)低頻IC的價(jià)格往往遠(yuǎn)低于兩倍頻率的IC。但我們可以采用兩顆低頻IC分別驅(qū)動(dòng)兩組LED顆粒，理論上能夠做到與單個(gè)高頻IC相同的效果。

TPS61161-Q1是一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置40V額定的FET，可驅(qū)動(dòng)多達(dá)10個(gè)LED串聯(lián)。升壓轉(zhuǎn)換器以600 kHz固定開關(guān)頻率運(yùn)行，能有效減少輸出紋波，提高轉(zhuǎn)換效率。默認(rèn)LED電流由外部傳感器電阻Rset設(shè)置。在工作期間，可以通過CTRL引腳控制LED電流。在數(shù)字或PWM模式下，TPS61161-Q1不會(huì)出現(xiàn)突發(fā)電流，可避免輸出電容器產(chǎn)生可聞的噪聲。該IC還具有集成的開路LED保護(hù)功能，以防止輸出超過最大額定值。

（三）外圍電路的設(shè)計(jì)

升壓轉(zhuǎn)換器的過流限制規(guī)定了最大輸入電流，從而限制了給定輸入電壓的最大輸入功率。由于功率轉(zhuǎn)換損耗，最大輸出功率小于最大輸入功率。因此，輸入電壓、輸出電壓和效率都可以改變最大電流輸出。電流限制鉗位峰值為電感電流，需要減去紋波以獲得最大直流電流。紋波電流是開關(guān)的頻率，電感值和占空比的函數(shù)。

電感影響電路的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、瞬態(tài)特性和環(huán)路穩(wěn)定性。這些因素是電力調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)中最重要的組成部分。電感器有三個(gè)重要的規(guī)格參數(shù)：電感值、直流電阻和飽和電流，因此，僅考慮電感值是不夠的。

電感值決定電感紋波電流。當(dāng)電感電流接近飽和電平時(shí)，其電感可以降低20%至35%，這取決于電感器廠商如何定義飽和電流。當(dāng)電感電流在每個(gè)開關(guān)周期結(jié)束前下降到零時(shí)，使用電感值較小的電感器會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)的PWM。這降低了升壓轉(zhuǎn)換器的最大輸出電流，還會(huì)產(chǎn)生大的輸入電壓紋波，降低了效率。大電感值提供更多的輸出電流和更高的轉(zhuǎn)換效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖志凌，阮新波.半導(dǎo)體照明工程的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006（9）.

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