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基于MAX168O1/168O2的LED照明驅動的設計
摘要: 隨著半導體照明行業的興起,對LED驅動的要求日益迫切。因此提出一種基于MAXl6801/16802開關電源結構的LED自適應驅動電路。從LED自身的光電特性、溫度特性及IC芯片本身的驅動特性出發,利用MAXl6801/16802的特點,實現對LED的恒流驅動,過壓保護的溫度光強反饋。
Abstract:
Key words :

  O 引言

  LED作為一種出現時間最晚的照明技術,其優點不僅體現在發光質量方面,在生產、制造、易用性方面都要大大超越白熾燈、熒光燈等傳統光源。受到熒光燈發光原理的啟發,LED生產商通過在高亮度藍光LED管芯上加一層熒光粉,用藍光激發熒光粉發出白光。此外,通過采用不同的熒光粉,可發出色溫為4500~10000K及色溫為2850~3800K的多種白光LED,白光LED的發光效率大都已超過301m/W,某些產品已超過50lm/W的水平,具備了正式大規模實用化的基礎。RGB三色LED合成白光綜合性能好,在高顯色指數下,流明效率有可能高到2001m/w,要解決的主要技術難題是提高綠光LED的電光轉換效率,目前其只有13%左右。對于LED激發熒光粉發光而言,三基色混光可以避免前者光譜分布不連續,顯色性不好等缺點,同時三基色混光的人眼舒適度可大大提高,由三基色PWM調制后可以根據需要在同一光源實現多色和全彩色照明。

  1 設計理念及方案

  設計大功率半導體驅動,首先要從發光芯片選擇及光源實現;驅動電路設計,二次光學設計;設備封裝三個方面考慮。

  在LED照明中,有單色LED激發熒光粉發光的成功設計案例,但考慮到這種方案出光難以實現全光譜、高顯色,在本次設計中采用RGB三基色混光光源,及對紅綠藍三種單色LED芯片單獨驅動,分別發光實現光源的完成。為了滿足大功率輸出下的照度穩定,要實現對LED溫度衰減的補償,同時也要對啟動時的浪涌脈沖和電流的不穩定波動做出補償。在二次光學設計時主要考慮三基色混光,在積分球混光和光纖耦合的對比中選擇光纖耦合,將三色芯片的出光通過光纖耦合混光后輸出。

  2 LED光學特性及電氣特性

  對于超高亮LED的特性,當正向電壓超過某個閾值(約2V),即通常所說的導通電壓之后,可近似認為,IF與VF成正比。當前超高亮LED的最高IF可達1A,而VF通常為2~4V。由于LED的光特性通常都描述為電流的函數,而不是電壓的函數,采用恒流源驅動可以更好地控制亮度。此外,LED的正向壓降變化范圍比較大(最大可達lV以上),VF的微小變化會引起較大的IF變化,從而引起亮度的較大變化。所以,采用恒壓源驅動不能保證LED亮度的一致性,并且影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此,超高亮LED通常采用恒流源驅動。LED的光通量與溫度成反比,85℃時的光通量是25℃時的一半,而-40℃時的光輸出是25℃時的1.8倍。溫度的變化對LED的波長也有一定的影響,因此,良好的散熱是LED保持恒定亮度的保證。

  3 混光方案

  三基色加性混光是指光的三原色混合可以得到白色光源和灰度光。對于LED,根據國際照明委員會CIE發布的色度圖知道,光的色彩與三基色R、G、B的比例有關,并且有r(λ)+g(λ)+b(λ)=1。LED取RGB合成白光這種辦法的主要問題是綠光的轉換效率低,現在紅綠藍LED轉換效率分別達到30%、10%和25%,由于合成白光所要求的色溫和顯色指數不同,對合成白光的各色LED流明效率也有不同。當對三個發光芯片提供不同比例的脈寬電流時,可以輸出不同灰度的照明光源,如果對于混光比例實現多級的灰度計算,即可接近全彩色調光。為了提高混光效率,常用的方案有積分球混光、混光棒混光。為了減小器件封裝體積,本方案運用光纖耦合混光,即使三芯片發出的光經過凸透鏡注入位于焦點處的光纖,并在光纖中進行混光,混光通過光纖出送至凹透鏡輸出。

  4 驅動電路設計

  整個電路分三部分:a.開關電源,實現市電向低壓恒流LED適應電流的轉換;b.PWM調制電路,實現對LED出光效率的控制;c.控制電路,實現對開關電源和PWM的連接和控制,實現混光后對出光灰度的控制。

  4.1 基于MAXl6801/16802的AC/DC開關電源

  高亮度(HB)LED驅動器控制集成芯片MAXl680l/16802基本滿足了實際LED驅動器關鍵電路的要求,可用于高亮度照明和顯示應用,可進行85~265V的AC整流電壓輸入,需要精度調節LED電流時,可利用片上的誤差放大器以及精度為1%的基準。通過片內PWM亮度調節也可以實現較寬的亮度調節范圍。

  MAXl6801/16802內部功能如圖1所示。

MAXl6801

  單個LED芯片的驅動電路如圖2所示。

單個LED芯片的驅動電路

  對于電路各個端口之間功能的描述:

  UVLO/EN:外部可編程欠電壓鎖定。UVLO設置輸入啟動電壓。將UVLO連接至GND可禁止器件工作。DIM/FB:低頻PWM亮度調節輸入/誤差放大反向輸入端。COMP:誤差放大器輸出。在高亮度LED電流調節應用中,將補償元件連接在DIM/FB和COMP之間。

  CS:電流感應信號連接端,用于電流調節。戒指檢流電阻高端。可以甩RC濾波器除去前沿上的毛刺。GND:功率地。NDRV:外部N溝道MO-SET柵極連接端。Vcc:柵極驅動電源。內部由IN降壓得到。Vcc與GND之間接一只10nF以上的去耦電容器。IN:IC電源。IN與GND之間接一只10nFt以上的去耦電容器。自舉工作模式下MAXl6801,可以在輸入電源和IN之間接一個啟動電阻。偏置繞組電源連接至該點。對于MAXl6802,IN直接接+10.8~+24V電源。

 

  4.2 單一LED芯片的PWM控制電路

  由于紅綠藍三種LED的電光轉換效率不一致,并且在混光時對于紅綠藍三基色的配比不同,故要對三色芯片單獨調制。調制芯片選NCP-1200,該芯片是安森美半導體公司(ON Semiconductor)推出的一款電流型PWM控制器。其應用電路只需要使用很少的外圍元件,使設計更加緊湊。另外,芯片內集成輸出短路的保護電路,使成本可進一步降低。模塊中有兩種反饋類型:第一種是輸出電壓反饋,輸出電壓采樣值VSS和單片機提供的設定值進行比較,通過光耦來控制NCPl200芯片陽腳的電壓,調整DRV腳輸出PWM的脈寬來控制場效應管的導通和關斷時間,從而達到調整輸出電壓值的目的。另一路反饋是電流限流反饋,當采樣到的輸出電流值ISS超過單片機提供的最大限流值IPWM后,比較器輸出正電壓使得光耦最大導通,將FB腳電壓拉低,使得NCPl200輸出PWM脈寬減小,從而達到限流的目的。當輸出電流小于單片機提供的限流值時,限流反饋不起作用。

  單色控制電路框圖如圖3所示。

單色控制電路框圖

  4.3 實時控制三基色電路

  在對NCPl200的控制中,使用ATmega8515單片機。ATmega8515的輸入端為用戶設置和溫度反饋及光強反饋,輸出端是對NCPl200中PWM調制脈寬的控制信息。

  在ATmega8515的I/O口可通過鍵盤、撥號開關實現多控制信號設置。也可以依照計算好的三色混光比例與三芯片PWM表將全彩色的各種脈寬配比編程輸入單片實現快速變色。

  4.4 總體框架

  為了保證LED由于發熱引起的光強衰減得到補償,在輸出端加上了溫度反饋及光強反饋,用于修正發熱引起的光衰減。總體結構如圖4所示。

總體結構

  5 結束語

  為了實現大功率全彩色的LED照明,設計了以MAXl6801/16802為核心的開光電源供電,通過PWM調節分別對紅綠藍三基色芯片供電的RG-BLED照明驅動設計方案。此設計考慮了LEDI芯片在工作中隨溫度上升而產生發光衰減、輸出波長漂移、流明衰減等實際問題,并作出相應的補償。實現了一定程度上的灰度調節。在以ATmega8515單片機為核心的控制系統下,利用溫度傳感器和光電傳感器作為反饋信息源,實現了自適應控制。實驗證明此驅動電路運行良好,可實現一定程度上的多色照明,運用于戶外照明和景觀照明。

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