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基色芯片电压基于MAX16801/16802的LED照明驱动的设计

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引言

LED作为一种出现时间最晚的照明技术,其优点不仅体现在发光质量方面,在生产、制造、易用性方面都要大大超越白炽灯、荧光灯等传统光源。受到荧光灯发光原理的启发,LED生产商通过在高亮度蓝光LED管芯上加一层荧光粉,用蓝光激发荧光粉发出白光。此外,通过采用不同的荧光粉,可发出色温为4500~10000K及色温为2850~3800K的多种白光LED,白光LED的发光效率大都已超过301m/W,某些产品已超过50lm/W的水平,具备了正式大规模实用化的基础。RGB三色LED合成白光综合性能好,在高显色指数下,流明效率有可能高到2001m/w,要解决的主要技术难题是提高绿光LED的电光转换效率,目前其只有13%左右。对于LED激发荧光粉发光而言,三基色混光可以避免前者光谱分布不连续,显色性不好等缺点,同时三基色混光的人眼舒适度可大大提高,由三基色PWM调制后可以根据需要在同一光源实现多色和全彩色照明。

1 设计理念及方案

设计大功率半导体驱动,首先要从发光芯片选择及光源实现;驱动电路设计,二次光学设计;设备封装三个方面考虑。

在LED照明中,有单色LED激发荧光粉发光的成功设计案例,但考虑到这种方案出光难以实现全光谱、高显色,在本次设计中采用RGB三基色混光光源,及对红绿蓝三种单色LED芯片单独驱动,分别发光实现光源的完成。为了满足大功率输出下的照度稳定,要实现对LED温度衰减的补偿,同时也要对启动时的浪涌脉冲和电流的不稳定波动做出补偿。在二次光学设计时主要考虑三基色混光,在积分球混光和光纤耦合的对比中选择光纤耦合,将三色芯片的出光通过光纤耦合混光后输出。

2 LED光学特性及电气特性

对于超高亮LED的特性,当正向电压超过某个阈值(约2V),即通常所说的导通电压之后,可近似认为,IF与VF成正比。当前超高亮LED的最高IF可达1A,而VF通常为2~4V。由于LED的光特性通常都描述为电流的函数,而不是电压的函数,采用恒流源驱动可以更好地控制亮度。此外,LED的正向压降变化范围比较大(最大可达lV以上),VF的微小变化会引起较大的IF变化,从而引起亮度的较大变化。所以,采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性,并且影响LED的可靠性、寿命和光衰。因此,超高亮LED通常采用恒流源驱动。LED的光通量与温度成反比,85℃时的光通量是25℃时的一半,而-40℃时的光输出是25℃时的1.8倍。温度的变化对LED的波长也有一定的影响,因此,良好的散热是LED保持恒定亮度的保证。

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。对于LED,根据国际照明委员会CIE发布的色度图知道,光的色彩与三基色R、G、B的比例有关,并且有r(λ)+g(λ)+b(λ)=1。LED取RGB合成白光这种办法的主要问题是绿光的转换效率低,现在红绿蓝LED转换效率分别达到30%、10%和25%,由于合成白光所要求的色温和显色指数不同,对合成白光的各色LED流明效率也有不同。当对三个发光芯片提供不同比例的脉宽电流时,可以输出不同灰度的照明光源,如果对于混光比例实现多级的灰度计算,即可接近全彩色调光。为了提高混光效率,常用的方案有积分球混光、混光棒混光。为了减小器件封装体积,本方案运用光纤耦合混光,即使三芯片发出的光经过凸透镜注入位于焦点处的光纤,并在光纤中进行混光,混光通过光纤出送至凹透镜输出。

4 驱动电路设计

整个电路分三部分:a.开关电源,实现市电向低压恒流LED适应电流的转换;b.PWM调制电路,实现对LED出光效率的控制;c.控制电路,实现对开关电源和PWM的连接和控制,实现混光后对出光灰度的控制。

4.1 基于MAXl6801/16802的AC/DC开关电源

高亮度(HB)LED驱动器控制集成芯片MAXl680l/16802基本满足了实际LED驱动器关键电路的要求,可用于高亮度照明和显示应用,可进行85~265V的AC整流电压输入,需要精度调节LED电流时,可利用片上的误差放大器以及精度为1%的基准。通过片内PWM亮度调节也可以实现较宽的亮度调节范围。

MAXl6801/16802内部功能如图1所示。

MAXl6801

单个LED芯片的驱动电路如图2所示。

单个LED芯片的驱动电路

 对于电路各个端口之间功能的描述:

UVLO/EN:外部可编程欠电压锁定。UVLO设置输入启动电压。将UVLO连接至GND可禁止器件工作。DIM/FB:低频PWM亮度调节输入/误差放大反向输入端。COMP:误差放大器输出。在高亮度LED电流调节应用中,将补偿元件连接在DIM/FB和COMP之间。

CS:电流感应信号连接端,用于电流调节。戒指检流电阻高端。可以甩RC滤波器除去前沿上的毛刺。GND:功率地。NDRV:外部N沟道MO-SET栅极连接端。Vcc:栅极驱动电源。内部由IN降压得到。Vcc与GND之间接一只10nF以上的去耦电容器。IN:IC电源。IN与GND之间接一只10nFt以上的去耦电容器。自举工作模式下MAXl6801,可以在输入电源和IN之间接一个启动电阻。偏置绕组电源连接至该点。对于MAXl6802,IN直接接+10.8~+24V电源。

4.2 单一LED芯片的PWM控制电路

由于红绿蓝三种LED的电光转换效率不一致,并且在混光时对于红绿蓝三基色的配比不同,故要对三色芯片单独调制。调制芯片选NCP-1200,该芯片是安森美半导体公司(ON Semiconductor)推出的一款电流型PWM控制器。其应用电路只需要使用很少的外围元件,使设计更加紧凑。另外,芯片内集成输出短路的保护电路,使成本可进一步降低。模块中有两种反馈类型:第一种是输出电压反馈,输出电压采样值VSS和单片机提供的设定值进行比较,通过光耦来控制NCPl200芯片阳脚的电压,调整DRV脚输出PWM的脉宽来控制场效应管的导通和关断时间,从而达到调整输出电压值的目的。另一路反馈是电流限流反馈,当采样到的输出电流值ISS超过单片机提供的最大限流值IPWM后,比较器输出正电压使得光耦最大导通,将FB脚电压拉低,使得NCPl200输出PWM脉宽减小,从而达到限流的目的。当输出电流小于单片机提供的限流值时,限流反馈不起作用。

单色控制电路框图如图3所示。

单色控制电路框图

4.3 实时控制三基色电路

在对NCPl200的控制中,使用ATmega8515单片机。ATmega8515的输入端为用户设置和温度反馈及光强反馈,输出端是对NCPl200中PWM调制脉宽的控制信息。

在ATmega8515的I/O口可通过键盘、拨号开关实现多控制信号设置。也可以依照计算好的三色混光比例与三芯片PWM表将全彩色的各种脉宽配比编程输入单片实现快速变色。

4.4 总体框架

为了保证LED由于发热引起的光强衰减得到补偿,在输出端加上了温度反馈及光强反馈,用于修正发热引起的光衰减。总体结构如图4所示。

总体结构

5 结束语

为了实现大功率全彩色的LED照明,设计了以MAXl6801/16802为核心的开光电源供电,通过PWM调节分别对红绿蓝三基色芯片供电的RG-BLED照明驱动设计方案。此设计考虑了LEDI芯片在工作中随温度上升而产生发光衰减、输出波长漂移、流明衰减等实际问题,并作出相应的补偿。实现了一定程度上的灰度调节。在以ATmega8515单片机为核心的控制系统下,利用温度传感器和光电传感器作为反馈信息源,实现了自适应控制。实验证明此驱动电路运行良好,可实现一定程度上的多色照明,运用于户外照明和景观照明。

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