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LED路灯驱动及智能调光系统设计

2013-09-21 00:05
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  3 LED 驱动电路

  3. 1 LED 驱动电路分类

  从LED 的驱动供电可将其驱动分为AC /DC 型和DC /DC 型,而LED 要求直流供电,AC 供电时要把交流转化成直流后再驱动LED,所以我们只要研究DC /DC 型即可。DC /DC 型的LED 的驱动方式可分为电阻限流型,线性稳压电源型,电容电荷泵电路和电感开关变换电路。电阻限流将电阻和LED 串连,通过电阻的分压限流和驱动LED 灯,这种方式控制精度不能保证,同时有大量电功率浪费在电阻上,只在要求不高的低压场合下使用。线性稳压电源精度比电阻限流型高一些,但同样存在效率低的问题,实际中用的也不多。实际中用得多的是电荷泵电路和电感式开关变换电路。

  电荷泵电路利用电容对电荷的累积效应储存电能,把电容作用能量耦合元件,通过控制电力电子器件高频的开关进行切换,在时钟周期的一部分时间内让电容储能,在时钟周期的剩余时间内电容释放能量。这种方式是通过电容的充电和放电时的不同连接方式得到不同的输出电压。电感式开关变换电路又称为开关电源,是通过控制功率开关管导通与关断的时间关系来改变输出电压的,电感和电容一般作为滤波元件,使输出稳定。相比较而言电荷泵型使用元件少,成本低,体积小,但其使用的开关元件多,效率相对低些,输出电压在输入电压的1 /3 ~ 3 倍这个变化范围,输出功率较小,所以其多用在小功率场合下; 而开关电源开关元件相对较少,效率高,可实现大范围的电压输出,且输出电压连续可调,输出功率大,因此适用范围更广,特别在中大功率场合下是首选。开关电源的拓扑很多,LED 驱动电路中用得多的有Boost 电路,Buck-Boost及Buck 电路。

  3. 2 基于HV9931 的LED 路灯驱动电路设计

  LED 驱动的芯片目前已经有一些了。LED 路灯相对来说功率较大,而且是通过市电交流供电的,国家规定,功率达到一定值时要有功率因数校正装置,此外设计的LED 路灯要有调光功能以节能。基于上述考虑, 这里选用Supertex 公司的HV9931 作用驱动芯片。HV9931 是种的8 引脚的PWM 集成控制器,有如下功能与特点: ( 1) 输出电流恒定,适用于LED 恒流驱动; ( 2 ) 允许大范围的8 ~ 450V的大范围的直流输入电压,且有较大的降压比,因此用市电供驱动LED 灯时可不用变压器; ( 3) 有功率因数校正功能,能获得单位功率因数和低输入电流谐波,达到国家规定,环保; ( 4) 有PWM 调光和模拟调光功能,驱动LED 时可方便地实现调光控制,符合节能要求; ( 5) 振荡器有固定频率和固定关断时间两种工作方式。

LED路灯驱动及智能调光系统设计

图2 基于HV9931 的LED 路灯驱动电路

  驱动电路如图2 所示,为开关电源驱动方式。

  主电路是一个单级单开关的非隔离恒流输出的Buck-Boost-Buck 电路。由L1、C1、D1、D5 和Q1组成的Buck-Boost 电路是输入级,工作于不连续导电模式; 由C1、Q1、D2、D4 及L2 组成的Buck 电路是输出级,工作在连续导电模式下。两级共用一个功率开关管Q1, 电容C1 对输入级相当于负载,对输出级相当于直流电源。系统降压比为两级降压比之乘积,这样由市电供电不需要变压器就能实现较低的电压输出。开关Q1 导通时, 输入级Buck-Boos 电流路径: 整流电压→D1→L1→Q1→Rs1,L1中电流线性增加, 输出级Buck 电路电流路径为:

  C1→Q1→Rs2→LED→L2,C1 提供能量; Q1 关断时,输入级电流路径: L1→C1→D5→D1,L1 中的能量转到C1 中,由于D1 存在,L1 电流不能反向,L1 电流降为0 后电流断续; 输出级电流路径: L2→D4→LED,由于参数设置不同,L2 中电流不仅不会变为0,而且波动相对比较小。

  电路工作于峰值电流模式下, 振荡器使GATE输出高电平, 使Q1 通导通; CS1 和CS2 端子分别是HV9931 内部的两个电压比较器的反向输入端,两个比较器的同向输入端在芯片内部接地,电路通过CS1 和CS2 端子同时检测输入电流和输出电流,CS1 是输入电流信号检测端子,CS2 输出电流信号检测端子,这两个端子只要有一个端子上的电压比地低,GATE 端子就输出低电平,Q1 就关断。VDD是芯片的基准电压输出引脚,Rs1、Rcs1 和Rref1 可编程设定L1 中的最大峰值电流, Rs2、Rcs2 和Rref2 可编程设定输出电流。在交流电的周期内可认为占空比和开关频不变,故输入电流峰值包络线为正弦波,平均电流为正弦波,可实瑞功率因数校正。

  C2 为输入电容,用作高频旁路,若用大电容则电路丧失功率因数校正功能。RT 对应着内部振荡器,有两种接法,分别设定恒定工作频和恒定的关断时间,图中采用的是恒定的关断时间的接法。PWMD 引脚为数字调光信号输入引脚,该引脚为高电平时电路正常工作,该引脚为低电平时GATE 引脚始终输出低电平,开关管Q1 断,驱动电路不工作。

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