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高效LED照明驱动及智能调光电路设计

2014-1-7  来源:(1.华南理工大学电力学院,广东省绿色能源技术重点实验室)  作者:骆祖国 陈渊睿   有2250人阅读

介绍一种用市电供电的高效大功率LED照明用驱动芯片及其应用电路和LED的智能调光控制。驱动芯片用的是大功率恒流驱动芯片SMD802,智能调光电路主要是由测光模块和ATMEGAl6单片机现实,经实验测试可以实现LED灯的高效节能优点和智能调光控制。

  1 引言

  随着LED组件品质及转换效率关键技术的突破,业界专家多认为在未来三至五年内,LED将成为照明主流。用LED替代白炽灯或荧光灯,环保无污染,使用安全可靠,便于维护。LED是一个非线性器件,当LED导通时,只要LED上的电压稍微变大,电流就会增加很多。因此,即使电压发生微小变化也会大大影响LED器件的工作,使电流过大甚至导致发热损坏。恒流源驱动是最佳的LED驱动方式。采用恒流源驱动,LED上流过的电流将不受电压和环境温度变化,以及LED参数离散性的影响,从而能保持电流恒定,充分发挥LED的各种优良特性。2J。为了节电并减小对电网供电质量的影响,还要求其驱动电路必须具有很高的效率和功率因数,并要求它向电网注入的谐波电流很小,且成本低、体积小、重量轻。智能化调光部分是LED照明必不可少的部分,也是LED照明驱动器的一个发展趋势。为满足以上要求,本方案用到了大功率恒流驱动芯片SMD802和微控制器ATMEGAl6。

  2 驱动电路介绍

  LED灯只能用直流供电,当用市电供电时,市电和LED灯之间有一个AC/DC转换器,其主要组成部分为滤波及保护电路、整流器、无源PFC和DC/DC转换器,整流电路可以由一个二极管整流桥实现,其中DC/DC转换器由大功率恒流驱动芯片SMD802实现。

  SMD802是一个低成本的可降压、升压、升降压的高效控制芯片,效率可以大于90%,特别适合设计驱动多串LED或LED阵列。该芯片既适用于全球通用的AC交流输入,也适用于8V一450V的直流输入。交流输入时,为提高功因数,通过由EN61000—3—2ClassC所规定的照明设备的交流谐波的限制,在输入功率小于25W时,可很容易的在线路中加入无源功率因数校正电路得以实现。SMD802可满足不同负载(串联的任数)的要求。输出的恒流驱动电流可设定,从几十毫安到1安培,适用于多个串联的大功率LED应用,输出功率也达几十瓦。工作频率(开关频率)可由用户设定,频率范围为25KHz到300KHz。可采用模拟方式调光,也可采用输入低频PWM信号(50Hz~1000Hz)调光。内部有欠压锁存保护及过载保护。

  2.1 驱动器的工作原理

  在介绍驱动器的工件原理之前先介绍一下SMD802芯片的引脚,驱动芯片有三种引脚封装,各引脚的功能介绍如下:

  VIN:输入电压8V~450VDC。

  CS:LED灯串的电流采样输入端

  GND:芯片地

  GATE:驱动外部MOSFET的栅极

  PWM_D:低频PWM调光脚,也是使能输入脚。内部集成100kIl的下拉电阻到地

  VDD:内部线性电源(一般是7.5V)。能够向外部线路提供高达1mA的电流。当交流输入电压在整流接近零交越时,一个足够大的储能电容用来提供能量。

  LD:线性调光器被用来改变电流采样比较的电流限制阈值

  Rosc:频率振荡控制器。一个电阻连接在此引脚与地之间用来设定PWM的频率。

  设计的驱动器电路图如图l(a)所示,电路很简单,元器件比较少。工作原理如下:

  (1)当GATE端输出高电平时,驱动电路的电流流向如图1(a)所示。电感L1为充电状态,电感L1的电流增大,采样电阻Rl二端的电压增大,经过RC滤波接到SMD802的CS端,当采样电阻Rl二端的电压大于250mA(在进行实验前,对芯片进行了测量其值为269mV),芯片SMD802的GATE输出低电平,从而关断N沟道的MOS管。

  (2)当GATE端输出为低电平,MOS管迅速关断,驱动电路的电流流向如图1(b)所示,LED灯的电流通过电感L1和续流二极管D1续流,使流过LED灯的电流为连续模式。C2和R2起消除干扰的作用,R3和ZDl取限幅稳压的作用,C1对LED灯侧的纹波有一定的改善作用。

  图1 驱动电路工作状态

  2.2 参数设计

  这里主要对一些关键元器件的参数进行设计,其它的元器件可以参照SMD802的文档进行选型设计。这里用的LED灯是22W,由一排灯串联组成,电流为0.3A,电压为66V。SMD802的工作率频为150KHz。

  

  采样电阻R1的计算:

  

  电感LI的计算:

  

  Vin为整流后并考虑市有电10%变化的电压,ton为开关管导通的时间,取电感Ll为2.5mH,饱和电流为lA。

  N沟道的MOS管选型:

  VDss=1.25 Vin=1.25X342.2 V=428V,电流为Iled的3倍以上,本方案用的MOS管为4N60(耐压600V,额定电流为4A)。续流二极管Dl的选型:参照MOS管选型,本方案用的续流二极管为MURl60(耐压600V,额定电流为lA),反向恢复时间越短越好。

  3 无源PFC

  在负载功率小于25W时,可用无源PFC来改善电路的功率因数。本实验用的无源PFC电路为填谷电路,如图2所示。填谷电路(D2、D3、D4、C4、C5和R4)限制工频电流的3次和5次谐波值,能够提供极佳的功率因数校正(通常为0.9或更高),C6用来抑制高频干扰信号。相关的参数设计为:二极管可以选用1N4007,二个电解电容可以用容值22uF,耐压250V的电解电容器,电阻R4选用10Q、I/2W功率的电阻器,电容C6可以选用容值为0.022uf、耐压400V的薄膜电容器。

  图2 无源PFC电路

  4 智能控制模块调光

  智能模块的核心是微控制器,本实验用的是ATMEGAl6单片机,AVR的性价比远高于51单片机:高速、采用RISC指令集:主频最高达20MHz;低功耗,宽电压:3.3V一5.5V,最低全速运行功耗<300uA;IO驱动能力强:推拉电流能力均达30mA,可以直接驱动蜂鸣器、继电器等;片内资源丰富:外部中断、定时/计数器、UART、SPI、1²C、ADC、模拟比较器。单片机供电电源要求是3.3v~5.5V,因为单片机所需的供电功率很少,所以可以用一个工频变压器、整流桥和一个线性稳压电源电路实现,基本不会影响整个电路的效率。外围模块主要有人体红外感应模块和测光模块,智能控制模块组成如图3所示。

  图3 智能控制模块

  人体红外感应模块用的是CD—HW01,模块功能有:人进人其感应范围(一般设定为3m)则输出高电平,人离开感应范围则自动延时关闭高电平,输出低电平,实现自动开关的作用。同时可以设定白天或光线强时不工作。

  测光模块可以用TLS256I芯片。光强传感器TSL2561是TAOS公司推出的一种高速、低功耗、宽量程、可编程、灵活配置的光强度数字转换芯片,该芯片可广泛应用于各类显示屏的监控,目的是在多变的光照条件下,使得显示屏提供最佳的显示亮度并尽可能降低电源功耗,还可以用于街道光照控制、安全照明等众多场合旧1。本方案用的光强传感器是光敏电阻和一个电阻串联构成,当光强度不同时,光敏电阻二端的电压值不同,光敏电阻二端的电压经过ATMEGAl6单片机的A/D转换获得一个电压值,使用的定时器是定时器∞,采用快速PWM模式,单片机使用内部自带的8M晶振,输出波形的频率为488Hz(由于自带晶振频率精度不高,实际输出波形的频率与488Hz有一定的误差,能满足调光的要求),通过A/D转换器获得的电压值来控制输出比较寄存器OCR0的值,从而达到控制输出的PWM波的占空比,实现调光的功效。

  5 实验数据及图形

  没有加入智能控制模块时,PWM—D端和LD、%。连接在一起经一个电容接地。SMD802的GATE端波形和LED负载的电流波形如图4所示。图4的波形2是GATE端的波形,频率为147.1KHz,和芯片理论分析的波形一致。图4的波形4是LED负载的电流波形,平均电流大小0.31A,从波形可以看出恒流效果很好。经初步测试电路的效率能达到0.9。

  加入智能控制模块时,微控制器ATMEGAl6的PB3输出到SMD802PWM—D端的信号频为478.4Hz,在SMD802文档中有要求对输入到PWM—D端的信号进行隔离,所以进行了以下处理:智能控制模块的地与驱动器的地接在一块,PB3到PWM—D之间加一个二极管,从而起到隔离的作用。占空比由光强度决定,光强度越强占空比就越小,图5的波形4是输出到PWM—D端的波形,频率为478.4Hz,占空比为70%左右。图5的波形2是GATE端输出波形。图5的波形3是LED的电流波形,其实电流波形是有上升和下降二部分组成的,图5中表现的不太明昼,平均电流值有一定的减小。

图5 加入调光后PWM—D端波形、GATE端波形和LED负载的电流波形          

  6 结束语

  本驱动电路的电路结构十分简单.设计比较方便,元器件所占的体积小。电路的效牢能达到09以上,能充分体现LED的节能优势。加^了智能调光控制模块,可以按照要求进行诃光,实现对LED的保护和使人税觉上更舒适。加人了无源PFC电路.可以对驱动器的功率因数进行控制,实现功率因数大干0.9。但是无濂PFC有一个致命的缺点.电路中用到了电解电容器,由于电解电窨器的寿命相对LED寿命比较短,使其不能与LED负载匹配.所以替代电解电容器是LED发展首要解央的难题.实现这一步的突破,才能真正实现LED节能、环保和寿命长等优势。

 

编辑:Cedar

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