本文主要從電子電路、熱分析、光學(xué) 方面闡述了如何運(yùn)用LED 特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。LED照明 作為新一代照明受到了廣泛的關(guān)注。僅僅依靠LED封裝 并不能制作出好的照明燈具。 這次主要針對(duì)運(yùn)用脈沖調(diào)制的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行說明。
PWM是什么?
脈沖調(diào)制英文表示是Pulse Width Modulation,簡(jiǎn)稱PWM。PWM是調(diào)節(jié)脈沖波占空比的一種方式。如圖1所示,脈沖的占空比可以用脈沖周期、On-time、Off-time表示,如下公式：
占空比=On-time(脈沖的High時(shí)間)/ 脈沖的一個(gè)周期(On-time + Off-time)
Tsw(一周期)可以是開關(guān) 周期,也可以是Fsw=1/Tsw的開關(guān)頻率。
圖1 Pulse Width Modulation (PWM)
在運(yùn)用PWM的驅(qū)動(dòng)電路中,可以通過增減占空比,控制脈沖一個(gè)周期的平均值。運(yùn)用該原理,如果能控制電路上的開關(guān)設(shè)計(jì)(半導(dǎo)體 管、MOSFET、IGBT等)的打開時(shí)間(關(guān)閉時(shí)間),就能夠調(diào)節(jié)LED電流的效率。這就是接下來要介紹的PWM控制。
PWM信號(hào)的應(yīng)用
PWM控制電路的一個(gè)特征是只要改變脈沖幅度就能控制各種輸出。圖2的降壓電路幫助理解PWM的控制原理。在這個(gè)電路中,將24V的輸入電壓轉(zhuǎn)換成12V,需要增加負(fù)載。負(fù)載就是單純的阻抗。電壓轉(zhuǎn)換電路的方法有很多,運(yùn)用PWM信號(hào)的效果如何呢?
圖2 降壓電路
在圖2的降壓電路中取PWM控制電路,如圖3所示。MOSFEL作為開關(guān)設(shè)計(jì)使用。當(dāng)PWM信號(hào)的轉(zhuǎn)換頻率數(shù)為20kHz時(shí),轉(zhuǎn)換周期為50μs。PWM信號(hào)為High的時(shí)候,開關(guān)為On,電流從輸入端流經(jīng)負(fù)載。當(dāng)PWM信號(hào)處于Low狀態(tài)時(shí),開關(guān)Off,沒有輸入和輸出,電流也斷掉。
這里嘗試將PWM信號(hào)的占空比固定在50%,施加在開關(guān)中。
開關(guān)開著的時(shí)候電流和電壓施加到負(fù)載上。開關(guān)關(guān)著的時(shí)候因?yàn)闆]有電流,所以負(fù)載的供給電壓為零。如圖4綠色的波形、V(OUT)可在負(fù)載中看到輸出電壓。
圖3 運(yùn)用PWM信號(hào)的降壓電路
圖4 解析結(jié)果 占空比：50%
輸入電壓是直流,通過脈沖信號(hào)得到輸出電壓在負(fù)載的前端(開關(guān)的后端)插入平滑電路,就可以得到如圖4所示的茶色的波形。輸出脈沖的平均值約12V時(shí),直流電壓可以供給負(fù)載。
但如果不是12V,而是想得到6V的輸出電壓時(shí),應(yīng)該怎么做?PWM控制的優(yōu)點(diǎn)實(shí)際就在此。只需改變脈沖幅度就可以了。實(shí)際上,只需設(shè)定占空比為25%就可以得到平均輸出6V的電壓。圖5和圖6表示的是這種情況下的電路和解析結(jié)果。
圖5 運(yùn)用PWM信號(hào)的降壓電路
圖6 解析結(jié)果 占空比約25%
以上結(jié)果標(biāo)明,降壓電路中,輸入輸出電壓的關(guān)系可以表示為：
輸出電壓=PWM信號(hào)的占空比×輸入電壓
也就是說只要改變PWM信號(hào)的占空比,就可以得到任意的輸出電壓。接下來介紹在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中運(yùn)用降壓轉(zhuǎn)換器電路驅(qū)動(dòng)LED的方法。
PWM驅(qū)動(dòng)電路例子
如圖7所示,在前述的降壓電路中追加線圈、電容、二極管的電路。在這里沒有考慮反饋電路。這里使用的是飛利浦 照明的LUXEON系列的LXM3-PW71 LED。LED(負(fù)載)的前端插入的線圈和電容構(gòu)成平滑電路,通過轉(zhuǎn)換使得脈沖輸出平均化。線圈前端的二極管即使在開關(guān)關(guān)著的時(shí)候也能持續(xù)向線圈供給電流。降壓轉(zhuǎn)換器通常作為電壓轉(zhuǎn)換電路使用,但是在驅(qū)動(dòng)LED時(shí),則需要控制電流而不是電壓。
圖7 PWM驅(qū)動(dòng)電路降壓轉(zhuǎn)換的例子
認(rèn)圖7的電路構(gòu)成。當(dāng)脈沖信號(hào)處于On的狀態(tài),也就是開關(guān)設(shè)計(jì)處于On的狀態(tài)時(shí),電流按照輸入信號(hào)-開關(guān)-線圈-負(fù)載的順序流動(dòng)。當(dāng)開關(guān)設(shè)計(jì)處于Off的狀態(tài)時(shí),電流按照二極管-線圈-負(fù)載的順序流動(dòng)。因此要控制線圈中的電流實(shí)際上等同于控制LED中的電流。
在正極和負(fù)極間施加3.0V的電壓的話,可以從數(shù)據(jù)庫中看到,LXM3-PW71的電流約350mA。輸入電壓為12V時(shí),設(shè)定脈沖波的占空比為25%(12V×0.25=3V),就能得到3V的電壓。當(dāng)轉(zhuǎn)換頻率數(shù)為100kHz時(shí),轉(zhuǎn)換周期為10μs,脈沖幅度為2.5μs。但是,負(fù)載只在順阻抗的情況下成立,實(shí)際在負(fù)載中運(yùn)用LED時(shí),根據(jù)電流大小負(fù)載特性也有變化,電流約為350mA時(shí),脈沖幅度調(diào)制約為3.36μs。驗(yàn)證電路的結(jié)果如圖8所示。
圖8 PWM驅(qū)動(dòng)電路的驗(yàn)證結(jié)果
LED中的電流發(fā)生變化,線圈中的電流也變化。通過傳感電路檢測(cè)線圈電流的變化,只要控制開關(guān)的打開時(shí)間,就能夠使得LED負(fù)載中的電流恒定。增加PWM的占空比,就能增加LED中的電流,也能增加亮度。比較阻抗驅(qū)動(dòng)型電路和恒定電流源型驅(qū)動(dòng)電路,改變PWM的占空比比改變阻抗值和電路常量更高效,也因此能了解PWM控制的便利性。
這次介紹的降壓轉(zhuǎn)換器運(yùn)用于LED驅(qū)動(dòng) 中需要電壓比輸入電壓低的情況。根據(jù)照明燈具、用途不同,有時(shí)需要同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED,這樣會(huì)出現(xiàn)所有的LED驅(qū)動(dòng)中的必需電壓比輸入電壓高。這種情況下,就需要使用能夠制作比輸入電壓高的電壓的升壓轉(zhuǎn)換器。
在LED照明中,有效利用電力的同時(shí)還需要小型化。照明燈具中,將輸入電壓轉(zhuǎn)為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電壓的時(shí)候,會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)換損耗,轉(zhuǎn)換損耗越大越容易引起熱的問題。同時(shí),如果開關(guān)頻率數(shù)增加,變壓器和線圈會(huì)變小,雖然整個(gè)線路板能夠?qū)崿F(xiàn)小型化,但由于高開關(guān)頻率數(shù)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換損耗,出現(xiàn)高次諧波問題。因此,在LED的PWM驅(qū)動(dòng)電路中,力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)高效和少零部件。
為了保持照明燈具的亮度穩(wěn)定或者調(diào)節(jié)亮度,需要在傳感器 中檢測(cè)負(fù)載電流、進(jìn)行控制演算、調(diào)整脈沖的占空比的反饋控制電路。本文沒有對(duì)反饋控制電路進(jìn)行介紹,但是值得注意的是,反饋控制電路包含電壓控制、遲滯控制、類似遲滯控制、電流控制等多種。各種控制方式有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn),需要我們根據(jù)照明燈具的作法和適用的電路方式選擇最佳的控制方式。