全數(shù)字控制可控硅調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)*

張 杰 ，張 軼 ，王曉剛 ，王佳慶

（1.廣州大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東 廣州510006；2.武漢凱迪電力環(huán)保有限公司，湖北 武漢430223）

當(dāng)前，隨著節(jié)能理念在照明領(lǐng)域的深入，出現(xiàn)了用LED和節(jié)能燈直接替代原光源產(chǎn)品中由可控硅調(diào)光器調(diào)光的白熾燈和鹵素?zé)簟？煽毓枵{(diào)光器通過(guò)斬切交流信號(hào)實(shí)現(xiàn)白熾燈和鹵素?zé)粽{(diào)光，主要有前向斬波和后向斬波兩種。由于白熾燈和鹵素?zé)羰请娮栊载?fù)載，應(yīng)用可控硅實(shí)現(xiàn)調(diào)光是很便利的一種解決方案。但當(dāng)LED和節(jié)能燈使用原有可控硅調(diào)光器進(jìn)行調(diào)光時(shí)，會(huì)面臨很多問(wèn)題。首先，LED和節(jié)能燈都是非線性高頻負(fù)載[1]，但可控硅的開(kāi)關(guān)特性不適合這種應(yīng)用；另外，目前市場(chǎng)上有多種可控硅調(diào)光器，而能滿足全部調(diào)光器特性的LED驅(qū)動(dòng)器存在很多問(wèn)題。為此，本文設(shè)計(jì)了一種數(shù)字控制的可控硅調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器[2]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本設(shè)計(jì)中HBLED由開(kāi)關(guān)型變換器驅(qū)動(dòng)，采用PWM調(diào)光方法，LED驅(qū)動(dòng)器連接可控硅調(diào)光器，如圖1所示。可控硅斬波后經(jīng)整流到達(dá)flyback變壓器，從而把能量傳遞到副邊給DC-DC供電。副邊MCU初始化后，進(jìn)行恒流和保護(hù)等參數(shù)設(shè)置，并通過(guò)輔助繞組和片內(nèi)比較器檢測(cè)可控硅的導(dǎo)通角，實(shí)現(xiàn)恒流、調(diào)光和保護(hù)等功能。為使可控硅可靠導(dǎo)通，在整流橋后接入了穩(wěn)定可控硅導(dǎo)通電路。系統(tǒng)具有以下功能：(1)保證可控硅調(diào)光器可靠地導(dǎo)通；(2)功率因數(shù)在 0.95以上；(3)驅(qū)動(dòng)器效率在 72%以上；(4)LED具有恒流功能；(5)具有可控硅調(diào)光功能（1%～100%）；(6)各種保護(hù)功能。

2 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)[3-4]

2.1 變壓器設(shè)計(jì)

工作頻率、輸入/輸出電壓、輸入/輸出功率、輸入峰值電流等參數(shù)會(huì)影響變壓器運(yùn)行，從而造成可控硅的導(dǎo)通和關(guān)斷。為保證可控硅調(diào)光器正常、可靠地導(dǎo)通，合理設(shè)計(jì)變壓器非常關(guān)鍵。此外，優(yōu)化變壓器的尺寸、材料、磁芯等參數(shù)可以提高變壓器的效率。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.1.1 計(jì)算初級(jí)電感

為了保證最優(yōu)的初級(jí)電感，能接受的最小占空比計(jì)算如下：

式中，δ1是可接受的最小占空比，Psw是 MOSFET內(nèi)部損耗功率，RDSon是MOSFET的導(dǎo)通電阻，Vbuff是等效平均電壓。

本應(yīng)用中，導(dǎo)通電阻RDSon典型值為 10 Ω，Pin為14 W，電壓Vbuff為 230 V，功率Psw為 500 mW。 則：

初級(jí)繞組電感計(jì)算如下：

式中，fconv是 flyback電路的運(yùn)行頻率，為 100 kHz，則有：

初級(jí)電流Ip(peak)計(jì)算如下：

則本設(shè)計(jì)中：

2.1.2 磁芯選擇

磁芯尺寸是通過(guò)需要存儲(chǔ)在變壓器和氣息磁場(chǎng)中的最大能量所決定的。變壓器中所能存儲(chǔ)的能量如下式：

輸出功率的范圍決定了適合的磁芯類型，本應(yīng)用選用了E25/13/7型磁芯。

2.1.3 初級(jí)繞組匝數(shù)

初級(jí)繞組需要在匝數(shù)和氣隙大小兩者之間取得平衡，以保證應(yīng)用中變壓器不飽和。考慮本應(yīng)用的特殊要求，可依據(jù)下式確定匝數(shù)。

設(shè) 計(jì) 中 有 以 下 參 數(shù) ：Lp=415 μH，Ip=0.821 A，Bmax=275 mT，Ac=39.5 mm2，則經(jīng)式(8)計(jì)算得出初級(jí)匝數(shù)為 70匝。氣隙大小計(jì)算如下：

經(jīng)計(jì)算本應(yīng)用中的氣隙大小為837 μm。

2.1.4 次級(jí)繞組匝數(shù)

變壓器次級(jí)的最大間隔時(shí)間計(jì)算如下：

式 中 ，ffring=722 kHz，flyback 的 運(yùn) 行 周 期 為T(mén)=10 μs，所以有 δ2T=8.2 μs，δ2=0.82。

匝比n可以根據(jù)下式得出：

所以次級(jí)繞組的匝數(shù)Ns=27匝。

2.2 假負(fù)載電路

式中，VL=15.7 V，則：

圖2 穩(wěn)定可控硅電路

為消除高頻信號(hào)對(duì)可控硅的干擾，保證可控硅具有一定的導(dǎo)通電流，設(shè)計(jì)了穩(wěn)定可控硅導(dǎo)通電路，如圖2所示。當(dāng)由于高頻非線性負(fù)載電流不夠而引起導(dǎo)通不完全時(shí)，假負(fù)載可以及時(shí)接入。當(dāng)Q3導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)入大負(fù)載保證可控硅導(dǎo)通。當(dāng)可控硅導(dǎo)通后，控制Q2導(dǎo)通關(guān)閉Q3，切換到小負(fù)載來(lái)維持可控硅導(dǎo)通所需要的維持電流，這樣既保證了可控硅導(dǎo)通的維持電流，又盡可能地降低了假負(fù)載的損耗。

2.3 導(dǎo)通角檢測(cè)

為了使驅(qū)動(dòng)器穩(wěn)定工作，快速、可靠地檢測(cè)可控硅的導(dǎo)通角非常重要。本驅(qū)動(dòng)器通過(guò)軟硬件結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通角檢測(cè)，把整流電路后的濾波大電容去掉，使得整個(gè)驅(qū)動(dòng)器會(huì)有0.9以上的功率因數(shù)，使整流后的電壓波形保持饅頭波波形，由此反激變換器輔助繞組上的波形也保持相應(yīng)的饅頭波波形，從而可以利用MCU內(nèi)置的比較器進(jìn)行電壓比較。比較器輸出的上升沿觸發(fā)MCU片內(nèi)定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，其下降沿則使得定時(shí)器停止計(jì)時(shí)，然后程序?qū)τ?jì)時(shí)結(jié)果進(jìn)行軟件濾波處理，再轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的PWM調(diào)光信號(hào)，最終快速有效地判斷出可控硅的導(dǎo)通角并實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。

2.4 程序架構(gòu)

uPD78F075x系列MCU集成了硬件比較器，并且其定時(shí)器具有和比較器輸出的聯(lián)動(dòng)功能，從而實(shí)現(xiàn)變頻或定頻變占空比的類似硬件控制，為L(zhǎng)ED恒流控制的實(shí)現(xiàn)提供了便利。聯(lián)動(dòng)功能具體實(shí)現(xiàn)如下：(1)通過(guò)配置定時(shí)器使其具有PWM輸出功能，并且其PWM波的輸出是根據(jù)比較器的輸出結(jié)果來(lái)改變PWM的頻率或占空比。(2)可通過(guò)設(shè)置MCU中的兩個(gè)定時(shí)器進(jìn)行邏輯關(guān)聯(lián)，使得其中一個(gè)定時(shí)器輸出的PWM受另一個(gè)定時(shí)器的輸出的控制，這樣就無(wú)需另外單獨(dú)輸出PWM進(jìn)行調(diào)光，可以利用此功能在MCU內(nèi)部控制主PWM而使得整個(gè)DCDC部分工作或不工作實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)光功能。本系統(tǒng)充分利用以上兩項(xiàng)功能，通過(guò)軟硬件對(duì)導(dǎo)通角的快速、可靠地判斷，再將導(dǎo)通角信號(hào)轉(zhuǎn)化為調(diào)光信號(hào)實(shí)現(xiàn)可控硅調(diào)光功能。圖3、圖4分別為主程序流程圖和導(dǎo)通角判斷的程序流程圖。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)器實(shí)際運(yùn)行效果，研制樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。部分實(shí)驗(yàn)波形如圖5～圖8所示。從波形圖可以看出，可控硅能很好地導(dǎo)通，斬波后的信號(hào)非常干凈，調(diào)光信號(hào)和可控硅的斬波信號(hào)也有很好的對(duì)應(yīng)。當(dāng)LED工作時(shí)，加在LED的電壓信號(hào)迅速上升并穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，起到了恒流和調(diào)光作用[5]。

本文設(shè)計(jì)了一種可通過(guò)可控硅調(diào)光器進(jìn)行調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)變壓器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以軟硬件結(jié)合的方式進(jìn)行可控硅導(dǎo)通角的實(shí)時(shí)判斷并快速、穩(wěn)定地轉(zhuǎn)化為調(diào)光信號(hào)，很好地保證了可控硅調(diào)光器的可靠工作，從而實(shí)現(xiàn)了可控硅對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器的全數(shù)字調(diào)光。

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