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MCU和ASIC的LED可控硅调光方案对比与解析

时间:2018-09-15信息来源:深圳市韩景元电子有限公司

作为一种新的、最有潜力的光源,LED照明以其节能、环保的优势越来越受到人们重视。加上国家和地方政府的政策鼓励,我国的LED照明产业进入了加速发展阶段,运用市场迅速增长。在室内照明方面,用LED灯替代传统的可调光白炽灯或者卤素灯也将是大势所趋。由于传统的白炽灯调光器采用可控硅调光器,用LED灯替代白炽灯时,要求不能改变原有线路,还要能适应现有的可控硅调光器。针对这一目标市场,目前很多大的半导体厂商(包括国际知名半导体厂商)都已经推出了自己的LED调光ASIC,但由于LED固有的发光原理,目前市面上的LED ASIC调光案都还不是很成熟,都有其固有的问题,本文就将针对目前的调光方案做一个详细的分析,并介绍我们基于MCU的调光方案。
  1 LED的发光特性
  目前的新技术使LED能够达到很高的功率水平,LED的功率能够达到1W,甚至有些达到5W,光效达到60-85LM/W,这种LED设备称为高亮LED(HB-LED)。目前我们用在照明上LED都是HB-LED,一般都是选择1W的LED通过串并联的方式组成大功率LED灯,尤其以串联为主。这种LED的VF为3.4V±2%,正向电流I
  F为350mA左右。其VF -IF曲线如图1.1所示。

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  图1.1 LED VF -IF曲线
  从图1中可以看出,当加在LED两端的电压没有达到3.4V之前,VF随着的增加而增加。当加在LED两端的电压达到3.4V时,VF的变化很小,增加LED两端的电压只会增加流过LED的电流,从而改变LED的亮度,直到增加到LED的最大IF (350MA),LED达到最大亮度。而VF一直被箝位在Vfmx (3.4V)左右。并且Vfmx会随着温度和LED工作时间的变化而变化,变化曲线如图1.2所示。

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  图1.2 VF相对变化对温度的变化曲线
  从图1.2可以看出,随着温度的上升,VF会逐渐变小,相反,当温度降低时,VF会增加。当LED的温度上升到85度时, VF已经有变成3.25V(3.4V-0.15V),相反当LED温度降到-40度时,VF变成3.6V(3.4V+0.2V)。
  所以在LED调光时,要想让LED调到一个固定的亮度,就必须要保证一个固定的IF,也就说要采用恒流控制。 还有另一种方式:恒功率控制。这也是目前市面上调光ASIC普遍采用的方式。但恒功率控制有其固有的缺陷。
  2 恒功率控制LED调光方式
  2.1 理论依据
  恒功率控制方式一般采用单级FLYBACK拓扑结构,基本框图如图2.1所示。

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  图2.1 恒功率控制方式框图
  从图中可以看出与一般开关电源的FLYBACK相比,恒功率方案多了一个调光信号控制回路,用于检测输入可控硅的导通角和输入电压,从而给出相应的调光信号。同时,方案中没有反馈信号,完全开环控制,由原边控制占空比的大小从而控制输出功率的大小,。其控制的理论依据为:

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  式中:
  P为输出给LED的功率;
  η为转换器的效率,主要由变压器决定;
  IP为原边变压器的平均电流;
  LP为变压器的原边电感;
  f为FLYBACK的开关频率。
  恒功率控制方式都是先预知LED的输出功率P,理论上,一旦变压器设计好之后,f,LP,η都已确定,只要改变原边电流IP的大小,就可以改变输出功率的大小。再由于:

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  式中:
  U为加在变压器原边的电压,即输入电压;D为占空比;f为开关频率;LP为变压器的原边电感。根据式2.2可知,IP与D成正比,只要改变占空比D就能改变原边电流的大小,也就能改变输出功率的大小。
  2.2 优缺点
  理论上,这种拓扑结构简单,成本低,但仔细分析就会发现,这种方式存在很多弊端。首先是η很难控制,往往偏差很大,再加上采用开环控制,精度很难保证,在批量时,用同样的占空比都会导致输出功率偏差很大,直接体现在灯上就是LED的亮度会偏差很大,很难保证其一致性。
  其次,恒功率控制都是预先假定输出功率是恒定的,比如用9个1W(VF=3.4V, IF=350MA)的LED串联起来用做一个9W的PAR灯,那么设计时候就会用P=9W来计算。但实际上每个LED的VF都会偏差,偏差值如表2.1所示:

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  Tab2.1 LED Electrical Characteristic(T=25℃)
  从表格2.1可以看出,虽然每个LED的偏差都不会太大, 但当LED串联起来时,总的偏差就不能忽略了。PAR灯的实际功率可能不止9W或者不到9W,直接反应在灯上就是最大亮度没有到额定值或者比额定值要亮。当PAR灯的实际功率不到9W时,而驱动的输出功率依然是9W,那么流经LED的电流IF就已经超过了额定的IF,长期工作对LED的寿命和显色性都会造成一定的影响。
  另外,就算LED出厂时VF没有偏差,根据图1.2所示,VF也会随着温度和工作时间的变化而变化,当由于VF的变化使得LED的额定功率小于9W时,长期工作将会影响LED的使用寿命和显色性。
  再次,功率兼容性问题。由于恒功率控制方式都是预先设定好输出功率,当所接的灯功率与预先设定的功率不匹配时,LED灯不能正常工作。当所接的灯的功率小于预设功率时,甚至会烧毁LED灯。
  还有就是空载损耗的问题,由于恒功率控制方案的输出功率只与输入电压和导通角的大小有关,当没有与接LED灯时,依然会有相应的功率输出,使得空载损耗变得很大。
  最后,调光器的兼容性问题。由于LED是用来替代以前的白炽灯,所以LED调光也必须用可控硅调光。白炽灯是纯阻性负载,对可控硅的导通不会造成什么影响,但LED的驱动电路由开关电源组成,就不是一个纯负载了,因此会对可控硅造成一定的影响。可控硅的斩波波形很容易产生畸变,尤其很难保持很好的导通状态。所以在驱动上一般都要加可控硅稳定电路。恒功率控制法由于其纯硬件实现,就算加了可控硅稳定电路,对调光器的适应性也有限。
  由于恒功率控制有其结构简单,成本低的优点,而其缺点部分短时间里可能没能体现出来,所以很多半导体厂商都采用此方法。但若采用MCU控制恒流的方案,以上问题都可以很好的解决。
  3 基于MCU控制恒流的方案
  世强电讯提出的基于MCU控制恒流的方案整体框图如图3.1所示。方案由两级组成,第一级为FLYBACK,采用闭环控制以输出一个稳定的电压给第二级供电,第二级采用MCU控制,组成一个BUCK恒流控制电路。其中MCU要完成的功能包括;1:根据可控硅导通角的大小,给出相应的调光信号。2:根据可控硅斩波后波形的畸变情况决定是否需要改变调光信号。3:通过检测LED的电流反馈,给出相应的占空比,稳定流经LED的电流,达到恒流控制。

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  图3.1 基于MCU控制恒流的方案整体框图
  3.1 理论依据
  恒流控制电路拓扑结构为BUCK电路,BUCK用于恒压输出时候,输入电压与输出电压的关系为:

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  式中:
  V0为输出电压;
  D为占空比;
  Vin为输入电压。
  从式3.1中可以看出,输出电压与占空比和输入电压都成正比。在闭环控制中,取输出电压反馈信号VFB与预设基准电压Vref比较,当输入电压一定时,如果VFB大于Vref,则减小占空比D,相反当VFB小于Vref时,增大D,以达到稳压的效果。
  所以,当BUCK电路用于恒流控制时,只要把电压反馈信号改成电流反馈信号就可以达到恒流的效果。
  3.2 优缺点
  由于MCU控制恒流方案由于采用恒流控制,针对恒功率控制方案中出现的问题都能很好的解决;
  首先,针对由于VF的偏差对LED的使用寿命和显色性的影响问题。采用恒流控制方案,当VF有偏差或者随着温度和工作时间的变化而变化时,只要D不变,输出给LED的电流并不会发生太大的变化。虽然LED的正向电流IF也会随着温度和工作时间的变化而变化,但每个LED的IF偏差都都不会太大,对于用多个LED串连起来组成的大功率LED灯,并不会对LED的使用寿命和显色性造成任何的影响。
  其次,由于采用闭环控制,可以达到很高的输出电流的精度。能保证灯的一致性。
  再次,功率兼容性问题。MCU恒流控制方案能兼容额定功率以下的LED灯。对于串联的LED灯,改变输出功率的大小,只是改变了LED灯的数目n和输出给LED灯的电压VLED,并不会改变输出电流的大小。当输出功率比额定功率小时,加在LED灯上的箝位电压n*VF变小,而输出给LED的电压VLED此时依然为额定值,所以流经LED的电流会变大,使得电流反馈信号VIFB大于基准电压Vref,那么占空比会变小,输出电压VLED变小,流经LED的电流也变小,直到额定电流值。所以可以兼容额定功率以下的LED灯。
  而针对空载损耗问题,可以用MCU检测是否有负载接入,当检测到没有LED接入时,可以关闭后级的BUCK电路,减小空载损耗。
  最后,可控硅的兼容性问题。恒功率控制方案中,采用纯硬件模式来稳定可控硅的导通,对调光器的适应性还是有限。在MCU控制恒流方案中,除了有硬件稳定电路,还有软件对可控硅斩波后的波形进行辨别处理。可以通过软件设置,判断斩波后的波形是畸变还是真的在调光,从而决定要不要改变相应的调光信号。所以MCU控制恒流方案提高了对调光器的适应性。
  当然,由于MCU恒流控制采用两级闭环控制方案,相对于ASIC的恒功率单级控制方案,也存在一些不足之处,首先就是在结构上要比恒功率控制方案复杂,成本上略高1~2RMB,另外就是效率比恒功率方案要低,但完全能满足“能源之星”的要求。
  4总结
  表1两种方案的优劣对比

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  通过上述的分析比较,不难看出,在一致性、功率兼容性、调光器的兼容性和对LED的使用寿命和显色性的影响等关键指标方面,MCU控制恒流方案都要比ASIC控制恒功率方案有绝对的优势

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