LED驱动器调光技术及应用实践研究

摘 要

文章首先简要分析了LED驱动器的基本特性及其调光方式，并在此基础上对基于调光技术的LED驱动器设计进行论述。期望通过本文的研究能够对LED灯的光线调节及其在不同场合的应用有一定的促进作用。

【关键词】LED 驱动器 调光技术

1 LED驱动器的基本特性及其调光方式

1.1 LED驱动器的特性

LED是发光二级管的简称，所谓的LED驱动器具体是指驱动LED发光或是LED模块组件正常工作的电源调整电子器件，它具有如下特性：

1.1.1 恒流源驱动

因发光二级管本身归属于电流驱动器件的范畴，加之LED的亮度与正向电流之间成正比例关系，所以，LED驱动器首选的驱动方法为恒流源驱动，这种驱动方式能够有效消除正向电压变化引起的电流变化，从而可以确保LED的亮度始终保持恒定。

1.1.2 效率高

LED是一种典型的节能环保光源，为使LED照明灯具的整体效率得到进一步提升，并最大限度地实现节能与环保，驱动LED的电源必须具备与之相匹配的高效率，换言之，LED驱动器需要具备较高的效率，这样才能确保LED照明灯节能环保目标的实现，所以高效率是LED驱动器必须具备的特性之一。

1.1.3 过电压保护

处于恒流工作状态下的LED驱动器必须具备过电压保护的基本功能，当电源检测到较大的负载或是负载断开时，输出电压能够提高至超过IC或是分立电路元件的额定电压范围。常用的过电压保护方法为在LED芯片上并联一个的稳压管，当输出电压过高时，电流便会从稳压管流过，由此便能确保LED仍然以恒流的方式进行驱动。

1.2 LED的调光方式

对于LED驱动技术而言，可调光是当前主流发展方向，然而，由于调光解决方案及规范标准始终在不断变化，从而使得调光方式并未得到统一。较为常见的LED调光方式有以下几种：PWM（脉冲宽度调制）、TRAIC（可控硅）以及模拟调光等等。根据现行的设计标准，TRIAC连接的全部都是单组负载，其对LED等亮度的调控效果在某些场合下无法达到最佳；模拟调光发出光线的色温会随着LED电流的某个函数发生变化，如果在需要确保LED灯光颜色的场合，这种方式显然也不适用；PWM调光基于的是人眼对灯光亮度闪烁不敏感的特性，通过对LED负载亮暗的时间比例对亮度进行调整，进而达到调光的目的。这种调光方式具有如下优点：调光范围宽、精度和效率高、基本不会出现闪烁现象。鉴于此，在实际应用中，可将PWM调光方式作为首选。

2 可调光LED驱动器设计

由上文分析可知，在常用的LED调光方式中，PWM调光的优点较多，因此，本文基于这种调光方式，设计一款40W的可调光驱动器，其具有“三高一低”的特点，即效率高、性能高、功率因数高、成本低。其技术指标如表1所示。

该驱动器的整体框架结构如图1所示。

2.1 恒压电路设计

在驱动器设计中，选用单级PFC反击变换器作为恒压电路，这种电路结构除具备简单的特点之外，还能实现输入与输出电路间的电气隔离，进一步提升了产品的安全性。该变换器的工作方式有三种，即CCM（连续式）、DCM（断续式）、CRM（临界式）。因CRM能够得到相对较高的PF值，加之其可以有效降低开关管的导通损耗并减少整流桥的损耗，由此可以使散热器的体积有所减小。因此，在本次设计中，选用CRM模式单级PFC反激变换器进行设计。

2.1.1 主控芯片

该电路的主控芯片选用L6562A，这种芯片内包含了专利电路的高线性乘法器，通过它能够使交流输入电流失真得以有效降低，有助于实现功率因数校正。

2.1.2 钳位电路参数

为有效限制漏感所引起的电压尖峰，通常会在变压器的初级绕组上加入一个钳位电路，较为常用的钳位电路有RCD钳位和TVS（电压瞬抑制管）加阻塞二极管。本次设计中选用RCD钳位，由于在该钳位中电容承受较大的电流，故此电容选择CBB（聚丙烯）电容。

2.2 降压恒流电路设计

2.2.1 主控芯片

降压恒流电路的主控制芯片选用HV9910驱动芯片，它的工作效率能够达到90%以上，宽电压的输入范围在8-450V区间，驱动外部功率MOSFET的工作频率最大可达300KHz。对LED采用恒流驱动，输出电流能够在几mA至高于1A以上。此外，该芯片还提供了一个低频PWM调光输入引脚，可借助外部PWM信好对LED进行调光控制。

2.2.2 电路参数设计

选用功率1W的LED灯珠40个，每8个一组进行串联，然后在并联到一起。单个LED灯珠在350mA下工作时，流经LED的总电流为1.75A，输出功率为40W，并在输出电压为10-24V区间变化范围内保持恒流。

2.3 PWM调光信号发生器设计

由于在本次设计中，选用了HV9910芯片，该芯片的PWM_D引脚为PWM调光输入引脚，故此只需要在该引脚上加载脉冲宽度可变的PWM信号，便能够达到调节LED中电流的目的，由此不但可以调节LED灯的亮度，而且可调的PWM信号还可以通过脉冲发生器产生。相关研究结果表明，在PWM这种调光方式下，LED电流仅有以下两种状态：一种是当PWM_D引脚的电压不足0.8V时，芯片会停止运行，此时LED电流值为零；另一种是当PWM_D引脚的电压超过2V时，芯片保持正常运行状态，此时LED的亮度与PWM信号的占空比成正比例关系。对于PWM信号发生器而言，其可以通过多种方式予以实现，在本次设计中，采用了ATmega16微控制器产生PWM信号的方法。ATmega16微控制器是AVR系列单片机，之所以选择该系列的单片机是因为它的性价比要远远高于51系列单片机，并且该单片机还具备高速、低功耗、宽电压、片内资源丰富等优点。ATmega16调光电路通过对电位器旋钮进行调节，再经过A/D转换之后能够得到一个电压值，同时借助ATmega16单片机外壁的晶振，输出波形频率为300Hz，通过A/D转换得到的电压值可对输出比较寄存器OCR0的值进行控制，从而达到控制PWM波占空比的目的，由此便可实现调光功效。

2.4 开关电源EMC设计

在可调光LED驱动系统当中，开关电源的电磁兼容性（EMC）设计是较为重要的环节。开关电源产生电磁干扰的主要原因是开关电源在工作时，会产生出较高的电压和电流变化，由此会产生相应的尖峰电压及浪涌电流，由傅里叶分析可知，在尖峰信号当中含有一定的高频次谐波，其会对开关电源的信号造成干扰，具体的干扰方式为传导干扰和辐射干扰。为避免电磁干扰对开关电源运行稳定性的影响，需要对其进行电磁兼容性设计。

对于开关电源而言，抑制电磁干扰最为有效的途径之一是减少开关电源本身的干扰，即使干扰低于规定极限值。较为常见的做法是：在开关管的漏原级和二次侧整流二极管的两端位置处加装RC吸收电路；也可以在功率开关管的栅极上增设驱动电阻和二级管；降低变压器的漏感，提升初级与次级绕组之间的耦合；在变压器一次地与二次地间设置共模电容，借此来滤除共模噪声；在电源的输入端上加装电磁干扰滤波器；在用金属外壳对设备进行封装处理，这样可以有效抑制辐射干扰；对PCB进行合理布局，尽可能缩短导线的长度，降低接地阻抗。在上述方法中，加装电磁干扰滤波器是最为简单且实用的一种，通常只需要选择性能可靠的电磁干扰滤波器便可以达到抑制电磁干扰的目的。此外，为了进一步提高抗干扰效果，可对电路进行优化设计，并对PBC进行合理布局，然后在电路AC/DC级前加装电磁干扰滤波器。

2.5 性能测试

将选定的电磁干扰滤波器接入到电源的输入端，然后经过电路调试和样机试验后，便完成了40W可调光LED驱动器的样机设计。为了进一步验证该驱动器的性能，下面对驱动器的性能进行测试。当样机调试完毕后，使用电阻负载代替LED负载对驱动器样机进行性能测试，在整个测试的过程中，样机的运行情况十分稳定，负载电流基本保持恒定状态，同时对LED驱动器进行了PWM调光测试。测试结果显示，本次设计的驱动器可在85-264V宽输入电压范围内运行，当输入电压为220V时，驱动器的工作效率可以达到86.7%，功率因数为0.93，输出电流为1.75A，输出电压为10-24V以内，负载调整率<3%，调光范围在0-100%之间，传导干扰检测合格，所有既定目标全部实现。

3 结论

综上所述，随着LED灯在各个领域内的广泛应用，对其的驱动控制进行深入研究显得尤为必要。本文基于调光技术，设计了一款可调光LED驱动器，经过试验测试，该驱动器的运行十分稳定，并且通过了传导干扰检测，驱动器的各项技术指标均达到了既定要求。

参考文献

[1]Alexander Craig.一种适用于高亮度LED电路的调光方法[J]电子设计应用，2009.

[2]文皓，陈涛，刘维.一种适用于LED驱动电路的压控振荡器的设计[J]电子元器件应用，2012.

参考文献

深圳深爱半导体股份有限公司 广东省深圳市 518116