大功率可调光LED驱动的设计与实现

王通++梁晓娟

摘 要：设计一款基于UC3844、HV9910芯片的可进行PWM调光的50 W LED恒流驱动电路。其中驱动电源的功率因素校准功能通过单级反激式PFC电路来实现，进而实现了LED恒流源的电流输出，并且通过STM单片机对LED的调光功能进行控制。

关键词：LED驱动；PWM调光；功率校正；降压恒流

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）05-00-02

0 引 言

随着半导体技术的发展，大功率LED已广泛用于各类照明场所，LED的调光控制技术也随之迅速发展[1，2]。根据LED特有的电压电流特性，现在LED照明基本采用恒流驱动方式。目前LED调光的方式主要有三种：线性调光、可控硅调光、PWM调光。

线性调光基于分压原理线性改变流过LED的电流，应用简单，但效率偏低，而且在调节LED电流的同时，会引起光谱偏移，同时会因为分压产生过多的热量。可控硅调光是应用切向原理通过调节电源的输出功率来实现调光功能，这种方式会出现大量谐波进而造成电磁干扰，由于不同的可控硅维持电流不同，这种不稳定输出加到LED上时就会产生闪烁。PWM调光是通过控制LED驱动电流的占空比来改变LED的平均电流值[3]。在脉冲周期内，其输出电流只有两种状态：最大额定工作电流和零电流。由于流过LED的工作电流不变，因而不会引起色温的变化。PWM调光可以保证LED的色温恒定，驱动器的效率较高，并且能够进行精确控制，但缺点是需要MCU控制器。

本文研究和设计了基于UC3842、HV9910芯片的可进行PWM调光的LED恒流驱动电路，并且设计了一款50 W功率的LED驱动进行验证。

1 LED驱动器设计

可调光LED驱动器硬件电路如图1所示。可调光LED驱动器硬件电路包含四部分：EMI滤波器、UC3842单级PFC电路、HV9910降压恒流电路、STM 8调光系统电路。

1.1 EMI滤波器

EMI滤波器的作用主要是削弱干扰源的能量，切断噪声耦合路径，提高设备对电磁干扰的抵抗能力，实质上是由串联电感、并联电容和必要的串并联电阻构成的无源低通滤波器[4]。干扰主要分为共模干扰和差模干扰。EMI滤波器组成如图2所示，前段为交流输入保护电路，其中，FU是保险丝、RT是负温度系数热敏电阻器、RV是压敏电阻器。图中电容C1、C2 和C5 、C6 分别为输入和输出端共模电容，用来滤除共模干扰，C3、C4为差模电容，用来滤除差模干扰，L为共模扼流圈，R为泄放电阻，可将C3上积累的电荷泄放掉，避免因电荷积累而影响滤波特性。

图1 驱动器硬件电路

图2 EMI滤波器

1.2 UC3842单机PFC恒压电路

UC3842是一种电流控制型脉宽调制器。其在输入端直接用流过输出电感线圈电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化，以达到功率因数校正的目的[5]。

其应用实例如图3所示，60 W反激式恒压电路，输入接EMI滤波器输出端，输出为12 V/5 A，初级电感量为370μH，初级匝数为40 T，次级匝数为5 T，开关频率为100 kHz。其中启动电路由R105 和C103 构成，C103 经过R105 充电到16 V时，UC3842 有输出信号， 使MOS 管Q1导通，T1的电流通过电阻R4检测并与UC3842 内部提供的1 V 基准电压进行比较，当达到这一电平时，开关管Q1关断，所有变压器的绕组极性反向，输出整流二极管正向偏置，存储于T1中的能量传输到输出电容器中[6]。启动结束后， 输出电压信号经光耦回送到误差放大器的反向端与UC3842内部的25 V基准电压作比较来调整驱动脉冲宽度，从而改变输出电压以实现对输出电压的控制。

1.3 HV9910恒流电路

HV9910为LED驱动电源驱动IC，内部有9～250 V DC输入电压稳定器，不需要额外电源，仅有单机输入电压提供驱动器的工作电源，如图4所示。同时内部有2%精密参考电压，可以精确的控制流过LED的电流，且含有断开电路时需要的FET驱动电路，当输出短路或者过电压时，可以自动断开LED对地路径并缩短控制电路的反应时间[7]。HV9910是目前应用中高压部分常见的IC，其效率超过92%，而且可以减少相关元器件的数量，降低系统成本。它可以将85～265 V AC或者8～450 V DC电压源转换成恒流源，实现对LED串地供电。

其中引脚ROSC上连接的电阻ROSC决定了振荡器的工作频率，有公式：

fosc（kHz）=25 000/[ROSC（kΩ）+22]

图4中所示引脚LD和PWM-D都连到引脚VDD，调光功能未利用，芯片可实现线性和PWM调光两种方式。

实现线性调光，可通过在引脚LD接电位器（连接到VDD与地之间，滑动触头连接到引脚LD），并在LD上施加0～250 mV的控制电压来实现。当LD上输入控制电压时，引脚CS内部设置的250 mV门限电压就不再起作用。

实现PWM调光可在PWM引脚输入PWM信号来实现，PWM信号可通过控制电路实现功能，控制电路调光范围可达0～100%，此时LED亮度正比于PWM占空比。

设电感峰峰值纹波电流为ΔIp-p的影响，流过LED的电流为ILED，则RCS的值有公式：

1.4 调光系统

芯片的PWM-D引脚为PWM调光输入引脚，在该引脚加入脉冲宽度可变的PWM信号即可调节流过LED的电流，该设计中采用MCU（微控制器）产生PWM信号进行控制[8，9]。在PWM调光模式下，LED流过的电流有两种状态：零电流和设定的额定输出电流[10]。当PWM-D引脚输入电压小于0.8 V时，芯片处于停滞状态；当PWM-D输入电压大于2 V时，芯片处于正常工作状态。本设计采用STM单片机产生PWM信号对电路进行控制，进而实现调光功能[11]。

图4 HV9910应用电路

2 实验数据

图5为绘制的输入电压Vin与功率因数PF关系折线图，从图中可以看出两者之间的大致趋势为随着输入电压的变大，功率因数PF的值降低。在输入电压为85 V时，PF值为0.98；输入电压为180 V时，PF值降低为0.945；达到最大输入电压值260 V时，PF值变为0.91，由此看出该设计系统可保持较理想的功率因数校正效果，满足设计指标要求。

图6为绘制的输入电压与样机效率的关系折线图，图中可看出其大致趋势为随着输入电压的变大，效率的值增大。输入电压为85 V时，效率值为0.845；输入电压为180 V时，效率值为0.86；达到最大输入电压值260 V时，效率值为0.872，由此可看出样机可保持理想的效率值，满足设计指标要求

图5 PF与输入电压测试曲线

图6 效率与输入电压测试曲线

3 结 语

根据LED调光控制技术的发展趋势和LED特有的电压电流特性，本文研究和设计了基于UC3842、HV9910芯片的可进行PWM调光的LED恒流驱动电路，并用50 W功率的LED驱动进行验证，验证结果表明该设计系统可保持较理想的功率因数校正效果和效率值。

参考文献

[1]杨旸. 高亮度白光LED驱动控制器设计[J]. 浙江大学学报 （工学版）， 2010，44（1）： 111-117.

[2]吴顺珉.高性能降压型白光LED驱动芯片设计[D]. 杭州：浙江大学， 2007.

[3]夏晓娟， 张洪俞，顾巍. 基于LED驱动芯片的低温漂CMOS基准电压源[J]. 微电子学与计算机， 2012，29（5）： 138-142.

[4] Loo， K.H.，Lai Y.M. ，Tan，S.C. ，et al.On the Color Stability of Phosphor-Converted White LEDs Under DC， PWM， and Bilevel Drive [J]. Power Electronics， IEEE Transactions on， 2012，27（2）： 974-984.

[5]黄天宏. LED照明技术的研究和设计实例[D].长沙：湖南大学， 2009.

[6]陈卫洁. 基于电流型PWM控制的同步白光LED驱动芯片设计[D].武汉：华中科技大学， 2006.

[7]杨岳毅. 新型高效率LED驱动电源的研究与设计[D].成都：西南交通大学，2014.

[8]付佳.升压型双模式PWM LED驱动芯片设计[D].杭州：浙江大学，2007.

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[10]贺玲.多路输出200W LED驱动电源设计[D].杭州：浙江大学，2010.

[11]张雪. 单级PFC LED驱动电源的研究与设计[D]. 西安：西安科技大学，2011.