基于PWM調光的LED驅動器設計

楊子騰　劉琨　楊昆

摘? 要：針對室內照明需要改造控制線路才能實現調光的問題，文章設計了一款基于PWM調光的LED驅動器。通過在驅動器中加入控制芯片，該驅動器能夠檢測電源開關的關斷數進行調光，因此僅需利用原電源開關即可進行調光控制。最后進行了相應實驗，并對數據進行了分析，證明了設計的LED驅動器可以實現從5%～100%六檔的亮度調節，調光穩定，無噪聲和閃爍，功率因數均在0.55以上。因此，該驅動器具有電路簡單、調光穩定、功率因數高等優點，具有一定的實用價值。

關鍵詞：PWM調光;LED驅動器;恒流驅動;占空比

中圖分類號：TN312+.8;TM923.34? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）02-0032-05

Abstract：For the indoor lighting needs to modify the control circuit to achieve the problem of dimming，this topic designed a LED driver based on PWM dimming. By adding a control chip to the driver，the driver can detect the number of turn-offs of the power switch for dimming，so the dimming control can be performed only by using the original power switch. Finally，the corresponding experiments were carried out，and the data was analyzed. It was proved that the designed LED driver can achieve brightness adjustment from 5% to 100% in six gears，stable dimming，no noise and flicker，and the power factor is above 0.55. Therefore，the driver has the advantages of simple circuit，stable dimming，high power factor，and the like，and has certain practical value.

Keywords：PWM dimming;LED driver;constant current driver;duty circle

0? 引? 言

LED（發光二極管，Light Emitting Diode）憑借其高效率、小體積、節能環保等優勢逐漸取代白熾燈占據主流市場[1]，同時LED具有的高可控性也使其能夠進一步發揮節能的優勢。隨著人們對照明需求的提高，具有調光功能的LED產品將更加適應市場[2]。

溫度是影響LED壽命的主要因素之一，調光可以有效降低LED光源使用時的溫度，維持光通量以及延長使用壽命。LED驅動器作為LED燈具必要的組成部分，可以轉換交流電為穩定的低壓恒流電供LED工作，優秀的驅動器直接決定LED的照明質量，同時可以完成包括調光等一系列功能實現。常見的調光方式有三種：模擬調光，可控硅（TRIAC）調光和PWM（脈沖寬度調制，Pulse width modulation）調光[3]。模擬調光通過控制輸出電流的大小來改變燈光亮度，簡單易操作但是會發生色溫偏移[4，5]。可控硅調光是通過斬切正弦波改變效率進行調光，由于早期應用，較多所以可以延用原有控制線路來節省成本[6，7]。楊巍巍等人[8]設計了一款原邊控制的LED驅動器，具有結構簡單、控制穩定的優點，其功率因數高于0.9，效率在0.8以上。郭振玄等人[9]設計了相角檢測電路以解決可控硅調光過程中出現的燈光閃爍、調光范圍小的問題，同時將可控硅切相角度轉化成對應的PWM信號，從而解決色譜偏移的問題。實驗結果表明驅動電源與可控硅調控兼容良好，占空比可以做到在0.17～1.00范圍內。Moon等人[10]提出了一種調光反饋控制方法，與可控硅調光具有高兼容性，電路結構簡單，性能優良。實驗結果表明調光器在改變角度時，控制方法很好地控制了電流輸出并保持電流穩定，其中在171°相位角時，達到最大效率，為83.7%，之后效率隨角度減少而減少。這些方法都有效地解決了可控硅兼容問題，但是并不能改善整體電路的功率因數[11]。

PWM調光是通過調節脈沖信號的占空比來改變輸出的平均電流以達到調光目的，其優點是具有較廣泛的調光范圍并且不會出現色溫偏離的現象。周錦榮等人[12]基于PWM與ZigBee（紫蜂協議）建立了冷暖白光LED雙通道智能混光系統，最終得到目標色的色溫相對誤差在8.5以下，光通量相對誤差在17%以下。Cheng等人[13]提出一種路燈驅動器，將AC-DC（交流-直流）變換器與耦合電感器和半橋型LLC DC-DC諧振轉換器集成到單級電路拓撲中，保證了驅動器的輸出穩定并且效率高效，同時可以實現100%到20%亮度調節。

目前大部分研究多是通過硬件設計來實現功能，這樣不僅會增加硬件成本，還會增加改進電路功能的難度。本文提出了一種基于PWM調光的LED驅動器，該驅動器中內置有程序控制的單片機，可以讀取輸入電流的開斷情況從而控制調光，因此驅動器可以在使用少量外圍元器件的情況下實現使用普通家用開關控制調光，這樣不僅可以節省電路設計的成本，同時可以減少改造控制線路的時間與成本。

1? LED驅動器原理及硬件電路設計

1.1? LED驅動器原理

LED是直流單向導通器件，因此不能直接使用220V交流市電來供電，需要在中間加入轉換電路將交流電轉換成穩定的直流電，這個轉換電路也就是LED驅動器。LED驅動器分恒壓驅動和恒流驅動，由于LED對電流的變化較為敏感，因此市面上多使用恒流驅動。

在設計驅動器時通常需要考慮光通量、顯色度、光效等性能指標。光通量指LED燈單位時間內散發的能夠引起人眼視覺的總光功率，單位是流明（Lm）。光效常指單位功率下釋放的光通量指數，高光效意味著提供相同的通量而功耗更少。顯色度則是指光源對物體的顯色能力[14]。常見的模擬調光會造成色溫偏移，這樣不僅會降低顯色度，還會降低人們的照明舒適度。PWM調光通過不斷高頻切換通電與斷電的狀態，改變通斷電流的比例來控制調光，這種方式能夠有效避免色溫偏移的現象。因此在設計驅動器時不僅要考慮功耗問題，還需要考慮調光對于LED燈的影響。

1.2? 驅動器的硬件電路設計

LED驅動器由全橋濾波變換器、LED恒流驅動和信號采集處理模塊組成，其硬件電路結構如圖1所示。

驅動器可以只使用普通的電源開關就能夠實現調光功能，省去了改造控制線路的成本與時間。家庭照明系統多直接使用電網進行供電，市電經由電源開關S1流入LED驅動器。全橋濾波變換器負責整流濾波，將高壓交流電轉化成低壓直流電輸送給LED恒流驅動模塊和信號采集處理模塊。

LED恒流驅動模塊負責將輸入的電信號轉化成不隨電壓變化的恒流電輸出給LED光源模塊。由于LED的電氣特性，使得LED對直流變化十分敏感，一旦輸入的電流發生劇烈變化，照明也會出現肉眼可見的閃爍現象，嚴重影響照明質量，因此穩定的直流輸入對LED驅動模塊而言及其重要。該模塊的主控芯片為深圳穩先微電子生產的WS9442P LED高精度LED恒流驅動芯片，該芯片只需要少量的外圍器件就可以實現恒流輸出，能夠保證輸出電流穩定不抖動。并且該芯片外置有PWM調光引腳，可以由此來調節占空比大小，改變LED亮度。全橋濾波模變換器和LED恒流驅動模塊構成LED驅動器的主要部分，在不加入信號采集處理模塊時，僅靠這兩部分便可以實現LED的正常供電。

信號采集處理模塊負責判斷調光模式，同時將調光信號輸送給LED恒流驅動模塊使其改變輸出的電流大小。該模塊主要由微處理器構成，一端與全橋濾波變換器相連，不僅用來為該模塊供電，同時根據電流輸入的關斷來檢測電源開關S1的關斷。根據S1的關斷次數進行調光和定光，這樣無需額外安裝控制電路就可以實現調光。另外一端連接恒流芯片WS9442P的調光端DIM腳，模塊內部判斷完畢后輸送調光信號至LED恒流驅動模塊，從而改變PWM占空比，達到調光的目的。

2? LED驅動器的軟件設計

軟件主要是記錄電源開關的關斷次數來控制PWM的占空比，程序框圖如圖2所示，其流程主要為：

（1）第一次打開開關的時候，LED正常點亮，其亮度為100%輸出下的最大亮度。

（2）在第一次關斷開關后，LED燈熄滅，驅動器內部由電容為單片機短暫供電，當關斷時間超過電容放電時間后，功能重置。

（3）在電容放電時間內打開開關，單片機檢測到一次開關斷開又閉合，此時進入調光模式，不斷改變占空比使LED循環變光，直到開關再一次斷開。

（4）開關再一次關斷又閉合后，單片機將占空比確定為關斷前最后一次調光結果，LED亮度定為關斷前最后一次調光的亮度，完成調光操作。

利用程序將調光分為六個檔位，其中以一檔為最大電流輸出時的檔位（100.0%占空比），二檔為50.0%占空比時對應的電流輸出，三檔為25.0%占空比時對應的電流輸出，四擋為12.5%，五檔為7.5%，六檔為5.0%，調光時每檔切換時間大致為1秒。

3? 實驗結果與分析

3.1? 實驗步驟

實驗選取飛利浦照明公司市面上銷售較多的12 W、6.5 W、5 W和3.5 W日光色和暖白色等八種球泡燈各五個。用本文所設計的驅動器替換原燈泡的驅動裝置。實驗使用大恒光電的光電色熱測試系統來測量光通量，使用華知科電子的參數測量儀來測量消耗功率，將儀器定標后把光源固定在積分球上關緊并打開開關將其點亮，每兩分鐘記錄一次光通量和消耗功率，持續18分鐘。

3.2? 實驗結果

3.2.1? 調光結果

實驗過程中，使用開關操作調光，無需使用調光器。調光過程穩定，在第一次打開后再次斷開又閉合，LED開始循環調光，調光過程穩定，亮度變化明顯，每次開斷和持續點亮過程中沒有出現閃爍和噪聲。調光可以實現較大范圍的亮度變化，并且六檔的功率因數在0.55～0.60之間。

3.2.2? 光通量及功率變化分析

表1是驅動各種瓦數的燈對應的六檔的點亮18分鐘后的平均光通量，其中一檔表示最大電流輸出，六檔表示最低電流輸出。表2是驅動各種瓦數的燈對應的六檔的點亮18分鐘后的平均消耗功率。從各檔的光通量可以看出來，驅動器成功實現了使用普通開關進行調光。每一個檔位之間光通量變化明顯，從表2的功率變化也可以看出，六個檔位的輸出也基本上與設定的占空比對應。

對比日光燈和暖白光燈的亮度會發現，相同檔位輸出時在消耗功率相近的情況下暖白光的光通量要小于日光，其原因在于暖白光LED燈表面的熒光粉多于日光LED燈，在相同輸出下更多的熒光粉會造成更多的損耗[15]，因此會有光通量的減少。

圖3和圖4為12 W燈的光通量隨時間的變化。其余瓦數的LED變化與這兩種燈大體一致。

結合各檔位的方差數可知，各瓦數的燈都在一檔時有較大波動，也就是在最大電流輸出時，光通量有較大的衰降。

圖5和圖6對比了各瓦數的燈一檔時的光通量變化，可以看出在一檔時各種瓦數的燈在前10分鐘里面都有較大幅度的衰降，一直到10分鐘左右光通量才趨于穩定。從對應的消耗功率可看出來，這是由于較高的功率輸出導致LED產生較大的結溫，從而影響到光電轉換導致光衰嚴重。這種情況可以從另外幾個檔數燈的光衰情況看出來。由表2可以看出來，六檔的消耗功率也基本不隨著時間的變化而改變，LED燈本身內部的變化并不影響驅動板的功率消耗。

除去一檔的光通量以外，二檔及以后幾檔的亮度變化不大，其中二檔的光通量有些許波動但是并不影響太多，后幾檔的光通量幾乎是穩定的。

3.2.3? 各檔位的光效變化

圖7和圖8是各瓦數的燈在各個檔位的光通量和功率的比值，即光效。由圖可以看出，三檔的光效平均最高，六檔的光效最低。

在三檔時，光效最高為120 Lm/W，而最小也能達到80 Lm/W，相對于最高亮度時有較大提升，可見調光LED在很多場景可以有效提高光效轉換，節省能源消耗。

4? 結? 論

本文提出了一種基于PWM調光的LED驅動器，該驅動器額外加入了采取電源開斷信號的信號處理采集模塊，主要由單片機構成依靠內置程序判斷需要進入的調光模式。憑借此模塊，驅動器可以直接使用普通家用的電源開關實現調光，這樣可以有效節省成本。同時驅動器結構簡單，電路成本低廉，能夠實現5%～100%的亮度調節，其功率因數在0.55以上，調光穩定，同時無閃爍和噪音。

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作者簡介：楊子騰（1995.08-），男，漢族，湖北黃岡人，碩士，研究方向：照明及光源系統;劉琨（1984.05-），男，漢族，河北保定人，講師，博士研究生，研究方向：LED燈研制開發;楊昆（1976.11-），男，漢族，河北清苑人，教授，博士研究生，研究方向：LED燈研制開發。