基于MAX16801/16802的LED照明驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

　　引言

　　LED作為一種出現(xiàn)時(shí)間最晚的照明技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)不僅體現(xiàn)在發(fā)光質(zhì)量方面，在生產(chǎn)、制造、易用性方面都要大大超越白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源。受到熒光燈發(fā)光原理的啟發(fā)，LED生產(chǎn)商通過(guò)在高亮度藍(lán)光LED管芯上加一層熒光粉，用藍(lán)光激發(fā)熒光粉發(fā)出白光。此外，通過(guò)采用不同的熒光粉，可發(fā)出色溫為4500～10000K及色溫為2850～3800K的多種白光LED，白光LED的發(fā)光效率大都已超過(guò)301m／W，某些產(chǎn)品已超過(guò)50lm／W的水平，具備了正式大規(guī)模實(shí)用化的基礎(chǔ)。RGB三色LED合成白光綜合性能好，在高顯色指數(shù)下，流明效率有可能高到2001m／w，要解決的主要技術(shù)難題是提高綠光LED的電光轉(zhuǎn)換效率，目前其只有13％左右。對(duì)于LED激發(fā)熒光粉發(fā)光而言，三基色混光可以避免前者光譜分布不連續(xù)，顯色性不好等缺點(diǎn)，同時(shí)三基色混光的人眼舒適度可大大提高，由三基色PWM調(diào)制后可以根據(jù)需要在同一光源實(shí)現(xiàn)多色和全彩色照明。

　　1 設(shè)計(jì)理念及方案

　　設(shè)計(jì)大功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)，首先要從發(fā)光芯片選擇及光源實(shí)現(xiàn)；驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，二次光學(xué)設(shè)計(jì)；設(shè)備封裝三個(gè)方面考慮。

　　在LED照明中，有單色LED激發(fā)熒光粉發(fā)光的成功設(shè)計(jì)案例，但考慮到這種方案出光難以實(shí)現(xiàn)全光譜、高顯色，在本次設(shè)計(jì)中采用RGB三基色混光光源，及對(duì)紅綠藍(lán)三種單色LED芯片單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，分別發(fā)光實(shí)現(xiàn)光源的完成。為了滿足大功率輸出下的照度穩(wěn)定，要實(shí)現(xiàn)對(duì)LED溫度衰減的補(bǔ)償，同時(shí)也要對(duì)啟動(dòng)時(shí)的浪涌脈沖和電流的不穩(wěn)定波動(dòng)做出補(bǔ)償。在二次光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮三基色混光，在積分球混光和光纖耦合的對(duì)比中選擇光纖耦合，將三色芯片的出光通過(guò)光纖耦合混光后輸出。

　　2 LED光學(xué)特性及電氣特性

　　對(duì)于超高亮LED的特性，當(dāng)正向電壓超過(guò)某個(gè)閾值(約2V)，即通常所說(shuō)的導(dǎo)通電壓之后，可近似認(rèn)為，IF與VF成正比。當(dāng)前超高亮LED的最高IF可達(dá)1A，而VF通常為2～4V。由于LED的光特性通常都描述為電流的函數(shù)，而不是電壓的函數(shù)，采用恒流源驅(qū)動(dòng)可以更好地控制亮度。此外，LED的正向壓降變化范圍比較大(最大可達(dá)lV以上)，VF的微小變化會(huì)引起較大的IF變化，從而引起亮度的較大變化。所以，采用恒壓源驅(qū)動(dòng)不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驅(qū)動(dòng)。LED的光通量與溫度成反比，85℃時(shí)的光通量是25℃時(shí)的一半，而-40℃時(shí)的光輸出是25℃時(shí)的1．8倍。溫度的變化對(duì)LED的波長(zhǎng)也有一定的影響，因此，良好的散熱是LED保持恒定亮度的保證。

　　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。對(duì)于LED，根據(jù)國(guó)際照明委員會(huì)CIE發(fā)布的色度圖知道，光的色彩與三基色R、G、B的比例有關(guān)，并且有r(λ)+g(λ)+b(λ)=1。LED取RGB合成白光這種辦法的主要問(wèn)題是綠光的轉(zhuǎn)換效率低，現(xiàn)在紅綠藍(lán)LED轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到30％、10％和25％，由于合成白光所要求的色溫和顯色指數(shù)不同，對(duì)合成白光的各色LED流明效率也有不同。當(dāng)對(duì)三個(gè)發(fā)光芯片提供不同比例的脈寬電流時(shí)，可以輸出不同灰度的照明光源，如果對(duì)于混光比例實(shí)現(xiàn)多級(jí)的灰度計(jì)算，即可接近全彩色調(diào)光。為了提高混光效率，常用的方案有積分球混光、混光棒混光。為了減小器件封裝體積，本方案運(yùn)用光纖耦合混光，即使三芯片發(fā)出的光經(jīng)過(guò)凸透鏡注入位于焦點(diǎn)處的光纖，并在光纖中進(jìn)行混光，混光通過(guò)光纖出送至凹透鏡輸出。

　　4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　整個(gè)電路分三部分：a．開(kāi)關(guān)電源，實(shí)現(xiàn)市電向低壓恒流LED適應(yīng)電流的轉(zhuǎn)換；b．PWM調(diào)制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED出光效率的控制；c．控制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)電源和PWM的連接和控制，實(shí)現(xiàn)混光后對(duì)出光灰度的控制。

　　4．1 基于MAXl6801／16802的AC／DC開(kāi)關(guān)電源

　　高亮度(HB)LED驅(qū)動(dòng)器控制集成芯片MAXl680l／16802基本滿足了實(shí)際LED驅(qū)動(dòng)器關(guān)鍵電路的要求，可用于高亮度照明和顯示應(yīng)用，可進(jìn)行85～265V的AC整流電壓輸入，需要精度調(diào)節(jié)LED電流時(shí)，可利用片上的誤差放大器以及精度為1％的基準(zhǔn)。通過(guò)片內(nèi)PWM亮度調(diào)節(jié)也可以實(shí)現(xiàn)較寬的亮度調(diào)節(jié)范圍。

　　MAXl6801／16802內(nèi)部功能如圖1所示。

　　單個(gè)LED芯片的驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

　　對(duì)于電路各個(gè)端口之間功能的描述：

　　UVLO／EN：外部可編程欠電壓鎖定。UVLO設(shè)置輸入啟動(dòng)電壓。將UVLO連接至GND可禁止器件工作。DIM／FB：低頻PWM亮度調(diào)節(jié)輸入／誤差放大反向輸入端。COMP：誤差放大器輸出。在高亮度LED電流調(diào)節(jié)應(yīng)用中，將補(bǔ)償元件連接在DIM／FB和COMP之間。

　　CS：電流感應(yīng)信號(hào)連接端，用于電流調(diào)節(jié)。戒指檢流電阻高端。可以甩RC濾波器除去前沿上的毛刺。GND：功率地。NDRV：外部N溝道MO-SET柵極連接端。Vcc：柵極驅(qū)動(dòng)電源。內(nèi)部由IN降壓得到。Vcc與GND之間接一只10nF以上的去耦電容器。IN：IC電源。IN與GND之間接一只10nFt以上的去耦電容器。自舉工作模式下MAXl6801，可以在輸入電源和IN之間接一個(gè)啟動(dòng)電阻。偏置繞組電源連接至該點(diǎn)。對(duì)于MAXl6802，IN直接接+10．8～+24V電源。

　　4．2 單一LED芯片的PWM控制電路

　　由于紅綠藍(lán)三種LED的電光轉(zhuǎn)換效率不一致，并且在混光時(shí)對(duì)于紅綠藍(lán)三基色的配比不同，故要對(duì)三色芯片單獨(dú)調(diào)制。調(diào)制芯片選NCP-1200，該芯片是安森美半導(dǎo)體公司(ON Semiconductor)推出的一款電流型PWM控制器。其應(yīng)用電路只需要使用很少的外圍元件，使設(shè)計(jì)更加緊湊。另外，芯片內(nèi)集成輸出短路的保護(hù)電路，使成本可進(jìn)一步降低。模塊中有兩種反饋類型：第一種是輸出電壓反饋，輸出電壓采樣值VSS和單片機(jī)提供的設(shè)定值進(jìn)行比較，通過(guò)光耦來(lái)控制NCPl200芯片陽(yáng)腳的電壓，調(diào)整DRV腳輸出PWM的脈寬來(lái)控制場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓值的目的。另一路反饋是電流限流反饋，當(dāng)采樣到的輸出電流值ISS超過(guò)單片機(jī)提供的最大限流值IPWM后，比較器輸出正電壓使得光耦最大導(dǎo)通，將FB腳電壓拉低，使得NCPl200輸出PWM脈寬減小，從而達(dá)到限流的目的。當(dāng)輸出電流小于單片機(jī)提供的限流值時(shí)，限流反饋不起作用。

　　單色控制電路框圖如圖3所示。

　　4．3 實(shí)時(shí)控制三基色電路

　　在對(duì)NCPl200的控制中，使用ATmega8515單片機(jī)。ATmega8515的輸入端為用戶設(shè)置和溫度反饋及光強(qiáng)反饋，輸出端是對(duì)NCPl200中PWM調(diào)制脈寬的控制信息。

　　在ATmega8515的I／O口可通過(guò)鍵盤、撥號(hào)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)多控制信號(hào)設(shè)置。也可以依照計(jì)算好的三色混光比例與三芯片PWM表將全彩色的各種脈寬配比編程輸入單片實(shí)現(xiàn)快速變色。

　　4．4 總體框架

　　為了保證LED由于發(fā)熱引起的光強(qiáng)衰減得到補(bǔ)償，在輸出端加上了溫度反饋及光強(qiáng)反饋，用于修正發(fā)熱引起的光衰減?？傮w結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　為了實(shí)現(xiàn)大功率全彩色的LED照明，設(shè)計(jì)了以MAXl6801／16802為核心的開(kāi)光電源供電，通過(guò)PWM調(diào)節(jié)分別對(duì)紅綠藍(lán)三基色芯片供電的RG-BLED照明驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案。此設(shè)計(jì)考慮了LEDI芯片在工作中隨溫度上升而產(chǎn)生發(fā)光衰減、輸出波長(zhǎng)漂移、流明衰減等實(shí)際問(wèn)題，并作出相應(yīng)的補(bǔ)償。實(shí)現(xiàn)了一定程度上的灰度調(diào)節(jié)。在以ATmega8515單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)下，利用溫度傳感器和光電傳感器作為反饋信息源，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)控制。實(shí)驗(yàn)證明此驅(qū)動(dòng)電路運(yùn)行良好，可實(shí)現(xiàn)一定程度上的多色照明，運(yùn)用于戶外照明和景觀照明。