75W全數(shù)控HB LED驅(qū)動器

　　摘要

　　十年來，高亮度LED的能效(流明/瓦)、耐用性、可靠性和成本效益迅速提高，徹底改變了照明行業(yè)的格局。在不影響電路驅(qū)動性能和保護(hù)功能的前提下，開發(fā)一種以盡可能低的功耗取得所需光照度的LED驅(qū)動器，是今天的照明燈具工程師所面臨的挑戰(zhàn)。

　　圖1所示的75W全數(shù)控HB LED驅(qū)動器評估板能夠?qū)ED的亮度降至最大亮度的0.5%。這款LED驅(qū)動器有兩個功率轉(zhuǎn)換級：前級是一個功率因數(shù)校正(PFC)轉(zhuǎn)換器，用于提供穩(wěn)壓直流輸出，后級是并聯(lián)在一起的降壓轉(zhuǎn)換器和改進(jìn)的降壓轉(zhuǎn)換器，如圖2所示。32位微控制器(MCU)通過數(shù)字技術(shù)控制PFC級和兩個DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器。PFC級和兩個DC-DC轉(zhuǎn)換器的數(shù)控技術(shù)在成本效益和設(shè)置靈活性方面有明顯優(yōu)勢。板載快速保護(hù)電路保證全部基本保護(hù)功能具有很高的可靠性。我們使用通用交流電源(85-265V)在整個亮度范圍(0.5-100%)對LED驅(qū)動器進(jìn)行了性能評測，實驗結(jié)果表明，各項功率品質(zhì)參數(shù)均在通用交流電源諧波標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-3-2的可接受范圍內(nèi)。

　　引言

　　本文提出的解決方案采用功率轉(zhuǎn)換數(shù)控方法，而非基于模擬IC的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計方法。

　　數(shù)控的主要優(yōu)點是設(shè)置靈活，可以在任何給定條件下，實時調(diào)整參數(shù)和操作點，無需修改任何硬件，而模擬控制只能在特定范圍內(nèi)調(diào)整。 兩種調(diào)光方式(模擬或數(shù)字)、調(diào)光控制(0-10V，無線通信)、調(diào)光分辨率、溫度監(jiān)測、各種保護(hù)和通信功能等先進(jìn)功能可以集成在一顆芯片上，不過，用數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)這些功能比用模擬控制方法更容易， 因此，數(shù)控方案的成本效益更高。此外，在噪聲條件下，數(shù)字控制的穩(wěn)定性高于模擬控制：數(shù)控解決方案不易受到元件容差、溫度變化和電壓漂移的影響。

　　圖 1: STEVAL-LLL004V1 75W數(shù)控照明評估板

　　系統(tǒng)概述

　　新開發(fā)的LED驅(qū)動器由STM32F071CB微控制器和三個不同功率級組成，如圖2所示。為實現(xiàn)最佳能效，PFC級和兩個DC-DC轉(zhuǎn)換器都是臨界導(dǎo)通模式(TM)。第一個降壓DC轉(zhuǎn)換器和第二個反向降壓轉(zhuǎn)換器都是恒流模式。反向降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)內(nèi)的功率開關(guān)接地，而不是標(biāo)準(zhǔn)降壓拓?fù)涞倪B接高邊開關(guān)。MCU和包括PM8841D、PM8834和L6395D在內(nèi)的柵極驅(qū)動電路用于管理反激拓?fù)渲械妮o助開關(guān)電源，VIPer013LS(60 kHz高壓離線轉(zhuǎn)換器)為MCU和柵極驅(qū)動器供電。在100%負(fù)載時，LED驅(qū)動器系統(tǒng)的總體能效大約91%，這歸功于STD11N60M2-EP N溝道600 V MDmeshTM M2 EP功率MOSFET。

　　MCU的設(shè)置是檢測所有電源轉(zhuǎn)換器的電感電流過零檢測(ZCD)信號和其它相關(guān)信號，從而控制MOSFET柵極驅(qū)動信號。 該驅(qū)動板配備全面的保護(hù)功能，例如，短路保護(hù)、開路保護(hù)、輸入欠壓保護(hù)和輸入過壓保護(hù)。

　　圖2: LED驅(qū)動板框圖

　　為控制LED的亮度，板載一個0-10V輸入和多個按鈕。借助MCU的先進(jìn)定時器，LED亮度可調(diào)至最大亮度的0.5%。 此外，驅(qū)動板還提供模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光兩種方式。

　　在數(shù)字(PWM)調(diào)光中，LED電流是頻率固定的(通常超過100Hz)通斷電流。LED始終在標(biāo)稱電流值時點亮。 LED的平均電流是總標(biāo)稱電流與調(diào)光占空比的乘積，可以通過調(diào)整占空比來調(diào)整亮度。然而，在模擬調(diào)光情況下，LED的電流是連續(xù)電流，但是，電流值本身會發(fā)生變化。 選擇正確的調(diào)光技術(shù)取決于該應(yīng)用的性能指標(biāo)。兩種調(diào)光方法各有利弊，表1列出了其中一些主要利弊。

　　表1: 數(shù)字調(diào)光 (PWM)與模擬調(diào)光比較

　　控制算法

　　我們在STM32系列32位STM32F071CB MCU上驗證了LED驅(qū)動器的控制算法。MCU控制這三個臨界導(dǎo)通模式功率級，在電感電流過零后立即啟動MOSFET柵極。PFC級實現(xiàn)了比例積分(PI)控制環(huán)路，改善了控制環(huán)路的穩(wěn)定性、線路轉(zhuǎn)換和調(diào)光步進(jìn)特性，并在啟動階段降低了電流電壓過沖。 降壓和反向降壓轉(zhuǎn)換器都是滯后功率轉(zhuǎn)換器。 可用電路板上的模式開關(guān)選擇調(diào)光技術(shù)和控制功能。 無論選擇哪一種調(diào)光技術(shù)，亮度都可以降到最大亮度的0.5%。

　　數(shù)字調(diào)光是使用MCU的500Hz定時器外設(shè)實現(xiàn)的。 按照調(diào)光值的大小，調(diào)整降壓和反向降壓轉(zhuǎn)換器的占空比。

　　模擬調(diào)光是使用MCU內(nèi)部比較器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)外設(shè)實現(xiàn)的。按照調(diào)光值的大小，借助DAC調(diào)整內(nèi)部比較器正相端的電流閾值(電感峰流)。 在臨界模式下控制電感峰值電流，只能將LED的亮度降到某一定程度。為了處理好低亮度，需要強制兩個DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)入非連續(xù)導(dǎo)通模式，如圖3所示。

　　圖 3: 模擬調(diào)光:亮度-頻率曲線

　　實驗結(jié)果

　　我們計算了STEVAL-LLL004V1在不同負(fù)載時的總能效、功率因數(shù)和總諧波失真(THD)三個參數(shù)。在 230V AC 100%負(fù)載時，能效高于91%。 圖4、5、6描述了LED驅(qū)動器的能效、功率因數(shù)和THD失真。

　　圖4: 在不同負(fù)載時輸入電壓 (AC)-能效曲線

　　圖5: 在不同負(fù)載時輸入電壓 (AC)-功率因數(shù)曲線

　　圖6: 在不同負(fù)載時輸入電壓 (AC)-總諧波失真曲線

　　結(jié)論

　　本文討論的數(shù)控LED驅(qū)動器可以輸出75W的功率，模擬和數(shù)字調(diào)光方法都能將LED亮度降至最大亮度的0.5%。不論使用那種調(diào)光技術(shù)，LED無閃爍可保持到0.5%亮度，這使其成為市場上獨一無二的LED驅(qū)動方案。實驗結(jié)果表明，在寬輸入電壓和負(fù)載條件下，這款驅(qū)動器的能效很高，功率因數(shù)接近1，THD%失真度低，這歸功于意法半導(dǎo)體電源產(chǎn)品的性能優(yōu)異以及在32位STM32F0 MCU上實現(xiàn)的控制策略。