LED陣列照明驅(qū)動模型
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引言
目前常用單顆大功率LED芯片的功率為1 W左右，要構(gòu)建成更大功率的LED燈具，必須多顆LED芯片進行組合。LED發(fā)光的光通量與正向電流近似成線性關(guān)系，其光通量和色溫都被流經(jīng)它的電流所控制。確保每個LED發(fā)光芯片有相同的亮度的一個有效的方法是采用多個LED連成一串。然而，這樣的一個主要問題是它們累積的電壓降限制了串聯(lián)的數(shù)量，限制了燈具功率擴大。另一方面，由于，LED的V/I特性的指數(shù)關(guān)系和LED正向壓降的負溫度特性，多個LED并聯(lián)將遇到各LED串的均流問題。
影響光通量和色溫的另外一個因素是溫度。在使用中，LED燈一旦被點亮，系統(tǒng)溫度會升高，隨之LED的正向電流會增大，電流的增大會使溫度更高。如果繼續(xù)這個循環(huán)，LED燈具最終會被燒毀。因此，LED燈串的電流控制和溫度控制在LED照明系統(tǒng)中顯得非常重要。
1 LED封裝芯片的正向電壓差異
由于LED封裝技術(shù)的復雜性，使LED芯片的最佳工作正向電壓(Vf)存在較大的差異。表1列舉了三家不同廠商產(chǎn)品的Vf值范圍，從表中可以看出，LED芯片的Vf值最大偏差可以達到40%，平均偏差也在20%左右。LED的正向電流與正向電壓成指數(shù)正變化關(guān)系，Vf的微小差異將造成LED正向電流的很大差異，從而影響LED正常照明。表中數(shù)據(jù)顯示如此大的誤差，故在照明驅(qū)動中不得不認真考慮這個問題。與驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展相比，LED芯片制造和封裝上的改進往往更艱難。因此控制流經(jīng)LED芯片的電流顯得更有意義。
2 大功率LED陣列燈具的驅(qū)動模型
有幾種方法驅(qū)動多個LED串并聯(lián)陣列，一個直接的方法直接用總線供電模式對多串LED芯片供電，參考文獻，這樣的模式?jīng)]有解決LED串電流的均等問題，對LED燈具的壽命和發(fā)光效果造成不利影響。圖1顯示的模型在調(diào)控總線電壓的基礎(chǔ)上，在每個LED串上連接一個電流調(diào)節(jié)器。通常，電流調(diào)節(jié)器可以是線性模式或開關(guān)模式。圖1采用開關(guān)模式，LED串總線電壓由前極開關(guān)變換模塊提供，每個LED串連接一個開關(guān)管，使LED串的電流受相移脈寬調(diào)制(Phase Shift Pulse Width Modulation，PS-PWM)，其作用是：通過相位控制，確保各串電流脈沖無多串同時躍變;通過反饋控制，調(diào)整開關(guān)脈沖占空比，確保各串LED電流均等。一種PS-PWM調(diào)制電路的實現(xiàn)可參照。在圖1所示模型中，采用數(shù)字
控制芯片實現(xiàn)PS-PWM將更好。
對LED串電流的取樣可用圖2所示的電路實現(xiàn)。取樣輸出值與串電流的比例關(guān)系如圖中等式所示。
數(shù)字控制芯片的工作性能在快速提高的同時，其成本也下降迅速。如Mieroehip公司的dsPIC33FJXXGSDSC系列芯片，TI公司TMS320F280xx系列芯片，其工作頻率都在幾十MHz，對100KHz級的開關(guān)頻率，可以實現(xiàn)在單開關(guān)周期內(nèi)完成一次控制循環(huán)。在成本上，如TI公司的TMS320F2 802-7DAT官網(wǎng)報價(2010年9月)為2.85美元，它集成了一個7通道12位ADC、8路PWM輸出模塊、一個模擬比較器，還有各種常用的通信接口。一塊芯片就可以實現(xiàn)驅(qū)動控制的大部分功能，在成本上有較大的優(yōu)勢。
圖3是對圖1 LED陣列驅(qū)動結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制實現(xiàn)邏輯圖。其相位設(shè)定模塊、保護模塊與ADC模塊可以通過數(shù)字芯片的簡單設(shè)置來完成;PID控制、恒壓限流和PWM占空比調(diào)節(jié)模塊通過軟件編程實現(xiàn)。通過通信接口接收調(diào)光等命令，可以很方便的對LED照明進行亮度調(diào)節(jié)。由于控制結(jié)構(gòu)是通過軟件實現(xiàn)的，給LED驅(qū)動的工作狀態(tài)檢測和其他功能擴展帶來了很大的靈活性。
4 數(shù)字控制邏輯的Matlab仿真
如圖4所示，為數(shù)字控制邏輯的仿真模型圖。其中：RL=105 Ω，RL1=100 Ω，RL2=95 Ω。
根據(jù)LED的V/I特性，當LED工作在Vf附近時，LED串可近似用純電阻代替。不同的電阻值表征各LED串總Vf的不同。
4.1 PID控制和PWM相移
LED串電流的PID控制主要包括：
(1)對輸出誤差信號進行PID運算，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性;
4.2 仿真結(jié)果
如圖5所示，各串電流得到了較好控制，輸出電流脈沖的占空比大小從第1串到第3串依次減小，但其峰值依次增大，確保各串均值電流一致。
DC—DC模塊電壓和LED串電流的PID調(diào)節(jié)輸出如圖6所示，其過沖分別為2.4%和2.1%，效果較好。
圖7顯示了無PS-PWM控制(虛線所示)和有PS-PWM控制的總線電流(實線所示)比較。從圖7中可以看出，無PS-PWM控制的總線電流脈沖跳躍幅度是有PS-PWM控制的3倍。即N串LED并聯(lián)時，通過PS-PWM調(diào)制可以使總線電流脈沖跳躍幅度減小到原來的1/N。
系統(tǒng)效率如圖8所示，Iset為PID模塊的輸入比較值，通過修改它，等效于對LED串調(diào)光，在大部分調(diào)光范圍內(nèi)，其效率大于91%。
5 結(jié)語
由仿真結(jié)果可以看出，通過PS-PWM調(diào)制，總線電流跳躍幅度與沒有PS-PWM控制時相比，降低了2/3，減小了系統(tǒng)的EMI。通過對每串LED電流進行PWM占空比調(diào)節(jié)，較好的克服了由于LED芯片Vf的差異帶來的問題，同時維持了較高的效率。
(2)對輸出誤差調(diào)整值進行歸一化運算;
(3)歸一化后的調(diào)整值與幅值為1的鋸齒波比較，調(diào)節(jié)占空比輸出PWM脈沖;
(4)控制輸出脈沖相位。其中恒壓限流PID控制完成DC—DC輸出電壓和電流的雙環(huán)控制。
驅(qū)動相鄰兩串LED的PWM波形相差360°/N，N為LED串的并聯(lián)總數(shù)。如圖4為仿真模型中，N=3，則驅(qū)動第1到第3串的PWM波形初始相位分別為0°，120°，240°。
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