一種智能LED調(diào)光控制策略研究

陳偉，林國慶，李俊

(福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州 350108)

1 引言

LED憑借其發(fā)光亮度好、電能利用率高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于多種照明場合[1-3]。適合應(yīng)用于大功率LED驅(qū)動電源的兩級式結(jié)構(gòu)前級實現(xiàn)功率因數(shù)校正，后級實現(xiàn)恒流輸出，相對于單級更容易實現(xiàn)對LED調(diào)光。在后級結(jié)構(gòu)中常用的LLC諧振變換器具有零電壓開關(guān)、效率高等優(yōu)點，但為變頻控制，電感及高頻變壓器較難設(shè)計，變換器輕載效率較低，而且難于實現(xiàn)寬范圍輸出；CLCL諧振電路在恒定頻率控制下具有輸出恒流特性，控制簡單，常用于大功率的LED驅(qū)動電源中。

在LED照明場合應(yīng)用調(diào)光技術(shù)，不僅可以減少能源損耗，還可以改善視覺效果。目前，應(yīng)用較為廣泛的LED調(diào)光技術(shù)有模擬調(diào)光、可控硅調(diào)光以及PWM調(diào)光等[4]。人們越發(fā)期待照明系統(tǒng)的智能化與人性化，使用智能化的設(shè)備，如Zigbee技術(shù)[5-6]，對燈光的亮度等方面進行調(diào)節(jié)，結(jié)合科學(xué)管理和現(xiàn)代藝術(shù)來營造繽紛多彩的照明環(huán)境[7]。

本文基于CLCL恒流諧振網(wǎng)絡(luò)的恒流特性，研究一種Zigbee無線通信技術(shù)與脈沖密度調(diào)制相結(jié)合的智能LED調(diào)光技術(shù)，實驗結(jié)果表明在實現(xiàn)高功率因數(shù)的基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)LED的調(diào)光控制。

2 電路與工作原理

圖1所示為本文所設(shè)計的兩級式驅(qū)動電路，由Boost PFC電路和半橋CLCL諧振變換器組成。Boost PFC實現(xiàn)功率因數(shù)校正，半橋CLCL諧振變換器為LED燈提供恒流驅(qū)動。

圖1 兩級式驅(qū)動電路

2.1 Boost PFC電路工作原理

圖2為臨界模式Boost PFC控制原理圖，包含電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)，電壓環(huán)實現(xiàn)恒壓輸出，電流環(huán)使輸入電流峰值跟隨輸入電壓，實現(xiàn)功率因數(shù)校正。

圖2 BCM模式Boost PFC電路原理圖

圖3為工作在臨界模式的Boost電感電流波形，圖3(a)是半個工頻周期的電感電流波形，圖3(b)為一個開關(guān)周期的電感電流波形。

圖3 Boost電感電流波形

2.2 半橋CLCL諧振變換器特性分析

如圖4所示為半橋CLCL諧振變換器電路結(jié)構(gòu)圖，Q1、Q2組成電壓型半橋開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，將PFC輸出電壓Udc轉(zhuǎn)換成頻率與半橋開關(guān)頻率相同的高頻方波信號。恒流網(wǎng)絡(luò)由電容Cr，Cs電感Lr，Ls串并聯(lián)組成，將開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的輸出方波信號變換成高頻交流信號。最后經(jīng)過均流電容Cb和整流濾波電路后為兩路LED負載提供恒定且均衡的工作電流。

圖4 半橋CLCL諧振變換器電路結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)CLCL諧振網(wǎng)絡(luò)工作在諧振頻率時，原邊電流只有基波分量向副邊傳送能量，其他各次諧波分量的電流增益幾乎為零。因此采用基波分析法對CLCL諧振變換器進行分析?？傻冒霕駽LCL諧振變換器交流基波等效模型，如圖5所示。u1為諧振回路輸入電壓基波分量，其頻率與開關(guān)頻率相等，Req為LED等效負載折算到變壓器原邊的等效電阻。

圖5 半橋CLCL諧振變換器交流基波等效模型

用向量法對上節(jié)得到的交流基波等效模型進行分析，可得到CLCL諧振網(wǎng)絡(luò)的電流增益(MI)與基波角頻率(ωs)、各諧振參數(shù)、等效負載(Req)之間的關(guān)系式:

3 控制策略

圖6所示為控制電路結(jié)構(gòu)圖，將輸出電流反饋引入到PFC控制電路，控制PFC電路主開關(guān)管工作，提高LED恒流精度，虛線框內(nèi)為恒流網(wǎng)絡(luò)的恒流控制與智能調(diào)光控制框圖。

圖6 控制電路結(jié)構(gòu)圖

3.1 脈沖密度調(diào)制原理

根據(jù)調(diào)光功能的設(shè)計要求，結(jié)合半橋CLCL諧振變換器的恒流工作特性，采用脈沖密度調(diào)制(Pulse Density Modulated，PDM)對輸出電流進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對LED燈的調(diào)光控制。圖7為PDM調(diào)光控制原理圖，um為調(diào)制波，ugs1，ugs2為Q1，Q2驅(qū)動波形。在調(diào)制頻率范圍內(nèi)一部分時間(D/fm)連續(xù)控制Q1和Q2工作，用N表示在一定的調(diào)制周期內(nèi)可以產(chǎn)生的總驅(qū)動脈沖個數(shù)，M為調(diào)制周期內(nèi)輸出的驅(qū)動脈沖個數(shù)。即可得:

圖7 PDM調(diào)光控制原理

式中D=M/N為PDM調(diào)制比，式(2)表明，輸出電流與調(diào)制比(D)近似成正比。在固定的周期內(nèi)每增加或減小一個脈沖，調(diào)制比改變了1/N，因此調(diào)制周期越大輸出的調(diào)光精度越高。本文采用的恒流頻率為fs=100kHz即Q1和Q2的開關(guān)頻率，選擇的調(diào)制頻率為fm=1kHz，此時PDM的調(diào)光分辨率約為1%。

3.2 Zigbee無線通信技術(shù)

Zigbee無線通信技術(shù)以低功耗、低成本和容量大等優(yōu)點成為當(dāng)今研究的熱點。將Zigbee無線通信技術(shù)與PDM相結(jié)合實現(xiàn)對LED的智能調(diào)光。圖8為Zigbee技術(shù)運用于LED照明系統(tǒng)的智能無線調(diào)光系統(tǒng)框圖。

圖8 Zigbee無線調(diào)光系統(tǒng)框圖

驅(qū)動電源的調(diào)光過程如下:在沒有調(diào)光指令時驅(qū)動電源滿載輸出，LED燈電流最大。當(dāng)上位機發(fā)出調(diào)光信號，數(shù)字單片機捕捉到Zigbee終端模塊發(fā)送的PWM調(diào)光信號后，做出相應(yīng)的脈沖密度調(diào)制使LED燈電流平均值按照調(diào)制比(D)改變，實現(xiàn)了對LED燈智能調(diào)光控制。

3.3 調(diào)光程序設(shè)計

程序流程圖如圖9所示，軟件設(shè)計主要是由主程序和各種子程序構(gòu)成，首先要對各功能模塊進行初始化，進入程序等待過程。接著進行過壓保護，對輸出電壓采樣分析判斷電路輸出是否過壓。然后單片機接收到從Zigbee終端模塊上輸出的PWM調(diào)光信號，進入到調(diào)光中斷子程序，將接收到的PWM調(diào)光信號，通過查表的方式轉(zhuǎn)化為電流基準(zhǔn)值和半橋驅(qū)動脈沖個數(shù)，最終產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動信號，從而實現(xiàn)調(diào)光控制。

圖9 程序流程圖

4 實驗結(jié)果

圖10所示為不同輸入電壓下輸入電壓和電流波形，可以看出輸入電流與輸入電壓相位基本一致，功率因數(shù)較高。圖11為額定輸出情況下，不同輸入電壓時Boost升壓電感Lb的電流波形及展開圖，可見電感電流工作在臨界導(dǎo)電模式且峰值近似為正弦包絡(luò)。

圖10 輸入電壓、電流波形

圖11 整流輸出電壓與電感Lb電流波形及展開圖

為了驗證調(diào)光方案的可行性，上位機發(fā)出調(diào)光信號，在輸入電壓為85V、220V、265V時分別測試了調(diào)光亮度為100%、75%、50%、25%的數(shù)據(jù)，如表1所示，輸出電流平均值逐漸減小，基本呈線性關(guān)系。燈電流最大誤差小于1.2%，可以實現(xiàn)智能調(diào)光。

表1 調(diào)光實測數(shù)據(jù)

如圖12為額定燈電壓，且PDM調(diào)制比分別為75%、50%、25%時半橋開關(guān)管Q2驅(qū)動電壓波形和LED燈電流波形，其中ugs2為Q2驅(qū)動電壓，Idim是調(diào)光時單路燈電流波形。

圖12 調(diào)光過程中驅(qū)動電壓ugs2和單路燈電流Idim波形

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種兩級式LED驅(qū)動電源，針對CLCL恒流諧振網(wǎng)絡(luò)特性研究了一種智能LED調(diào)光控制策略，將Zigbee無線通信技術(shù)與脈沖密度調(diào)制相結(jié)合，實現(xiàn)對LED的智能調(diào)光控制，最后搭建一臺108W的原理樣機，實驗結(jié)果表明所研究的變換器可以實現(xiàn)高功率因數(shù)，在進行調(diào)光時燈電流最大誤差小于1.2%，驗證了所提方案的可行性。