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展，發光二極管（LED）憑借著體積小，速度快，綠色節能，發光效率高的優勢，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，發光效率更高，顯示指數更高的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，線性電源優點是電路簡單，沒有電磁干擾等問題，但由于存在發光效率低下，發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調光顯示的恒流驅動電路，特點是可以調控四種顏色像素的發光比例，同時保持較高的發光效率，恒流驅動又保證了發光的穩定性以及使用壽命。

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，所以它的驅動電路需要四路單獨穩流電源，每一路都根據各自對應像素的發光特性，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，即功率因數校正電路，隔離降壓電路和四路降壓穩流電路，整體框架如圖1所示。

表1：LED燈參數

圖1：電路總體框架

圖2：PFC功率因數校正電路

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定在200mA附近。

2 PFC功率因數校正電路設計

由于市電是220V交流電，經整流后，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，使用功率因數校正技術(PFC)把諧波污染控制在相應的標準要求范圍之內以成為必要。

圖3：電壓電流波形

在整流電路中，功率因數(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；cosφ表示交流輸入市電的基波電壓和基波電流的相位因數。電流的總諧波畸變因數(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，功率因數只與總諧波畸變因數有關。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,減小對電網的諧波污染。目前,通常采用功率因數校正技術來改善開關整流電路的功率因數，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

目前現行的功率因數校正可以分為有源功率因數校正和無源功率因數校正，無源功率因數校正的優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。無源式功率因數校正的缺點是它很難得到非常高的功率因數，一般得到的功率因數都小于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生變化；有源功率因數校正的主要優點是可以得到高達0.99甚至接近于1的高功率因數，使得電網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，簡化后級的降壓穩流級的電路設計。綜述，本文第一級變換選用有源功率因數校正。第一級變換電路具體控制芯片選用UC3854，UC3854具有以下優點：采用升壓電路,功率因數達到以上,,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用來依據采樣電壓大小，閉環控制MOS管開關狀態。

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

圖6：降壓穩流過程

電壓源為有效值220V的市電，電路設計目標使得輸出端穩定在400V左右。經仿真，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，選擇添加一級經典的Flyback電路進行降壓隔離，Flyback電路簡單，元器件少，體積小，輸出電壓受占空比調節幅度較大，而且不需要加磁復位措施，Flyback電路通過變壓器耦合進行兩側隔離，可以保證安全，優點明顯。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，使得電路實現電壓從400V降到12V恒壓，由于在加下來第三級的降壓穩流電路中會閉環控制電流為穩定值，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，穩定400V，下面一條線是輸出，穩定12V，得出結論此電路可以穩定輸出12V直流電壓，可以滿足設計需求。

4 降壓穩流電路設計

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電路實現恒流輸入顯得很有必要。

圖7：降壓穩流電路

圖8：電流波形

本文設計的降壓穩流電路使用四片UC3843芯片組成降壓電路并聯，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25倍運放反饋回UC3843，設定穩流電路電流輸出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，工作效率較高等優點。

降壓穩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，電容續流，最終使得反饋電阻兩端電壓穩定在2.5V，進而保證電流穩定。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，并闡述了各自的優缺點。經仿真驗證，整個電路輸出電流穩定，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三級變換后可輸出四路穩定電流給RGBW四色LED燈串使用。