基于MCU和基于ASIC的LED可控硅調光方案對比

　　作為一種新的、最有潛力的光源，LED照明以其節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢越來越受到人們重視。加上國家和地方政府的政策鼓勵，我國的LED照明產業(yè)進入了加速發(fā)展階段，運用市場迅速增長。在室內照明方面，用LED燈替代傳統的可調光白熾燈或者鹵素燈也將是大勢所趨。由于傳統的白熾燈調光器采用可控硅調光器，用LED燈替代白熾燈時，要求不能改變原有線路，還要能適應現有的可控硅調光器。針對這一目標市場，目前很多大的半導體廠商（包括國際知名半導體廠商）都已經推出了自己的LED調光ASIC，但由于LED固有的發(fā)光原理，目前市面上的LED ASIC調光案都還不是很成熟，都有其固有的問題，本文就將針對目前的調光方案做一個詳細的分析，并介紹我們基于MCU的調光方案。

　　1 LED的發(fā)光特性

　　目前的新技術使LED能夠達到很高的功率水平，LED的功率能夠達到1W，甚至有些達到5W，光效達到60-85LM/W，這種LED設備稱為高亮LED(HB-LED)。目前我們用在照明上LED都是HB-LED，一般都是選擇1W的LED通過串并聯的方式組成大功率LED燈，尤其以串聯為主。這種LED的V_F為3.4V±2%，正向電流I_F為350mA左右。其V_F -I_F曲線如圖1.1所示。

　　圖1.1 LED V_F -I_F曲線

　　從圖1中可以看出，當加在LED兩端的電壓沒有達到3.4V之前，V_F隨著的增加而增加。當加在LED兩端的電壓達到3.4V時，V_F的變化很小，增加LED兩端的電壓只會增加流過LED的電流，從而改變LED的亮度，直到增加到LED的最大I_F (350MA)，LED達到最大亮度。而V_F一直被箝位在V_fmx (3.4V)左右。并且V_fmx會隨著溫度和LED工作時間的變化而變化，變化曲線如圖1.2所示。　　

圖1.2 V_F相對變化對溫度的變化曲線

　　從圖1.2可以看出，隨著溫度的上升，V_F會逐漸變小，相反，當溫度降低時，V_F會增加。當LED的溫度上升到85度時, V_F已經有變成3.25V（3.4V-0.15V）,相反當LED溫度降到-40度時，V_F變成3.6V（3.4V+0.2V）。

　　所以在LED調光時，要想讓LED調到一個固定的亮度，就必須要保證一個固定的I_F，也就說要采用恒流控制。 還有另一種方式：恒功率控制。這也是目前市面上調光ASIC普遍采用的方式。但恒功率控制有其固有的缺陷。

　　2 恒功率控制LED調光方式

　　2.1 理論依據

　　恒功率控制方式一般采用單級FLYBACK拓撲結構，基本框圖如圖2.1所示。

　　圖2.1 恒功率控制方式框圖

　　從圖中可以看出與一般開關電源的FLYBACK相比，恒功率方案多了一個調光信號控制回路，用于檢測輸入可控硅的導通角和輸入電壓，從而給出相應的調光信號。同時，方案中沒有反饋信號，完全開環(huán)控制，由原邊控制占空比的大小從而控制輸出功率的大小，。其控制的理論依據為：

　　式中：

　　P為輸出給LED的功率；
　　η為轉換器的效率，主要由變壓器決定；
　　I_P為原邊變壓器的平均電流；
　　L_P為變壓器的原邊電感；
　　f為FLYBACK的開關頻率。

　　恒功率控制方式都是先預知LED的輸出功率P，理論上，一旦變壓器設計好之后，f，L_P，η都已確定，只要改變原邊電流I_P的大小，就可以改變輸出功率的大小。再由于：

　　式中：

　　U為加在變壓器原邊的電壓，即輸入電壓；D為占空比；f為開關頻率；L_P為變壓器的原邊電感。根據式2.2可知，I_P與D成正比，只要改變占空比D就能改變原邊電流的大小，也就能改變輸出功率的大小。

　　2.2 優(yōu)缺點

　　理論上，這種拓撲結構簡單，成本低，但仔細分析就會發(fā)現，這種方式存在很多弊端。首先是η很難控制，往往偏差很大，再加上采用開環(huán)控制，精度很難保證，在批量時，用同樣的占空比都會導致輸出功率偏差很大，直接體現在燈上就是LED的亮度會偏差很大，很難保證其一致性。

　　其次，恒功率控制都是預先假定輸出功率是恒定的，比如用9個1W（V_F=3.4V, I_F=350MA）的LED串聯起來用做一個9W的PAR燈，那么設計時候就會用P=9W來計算。但實際上每個LED的V_F都會偏差，偏差值如表2.1所示：

　　Tab2.1 LED Electrical Characteristic（T=25℃）

　　從表格2.1可以看出，雖然每個LED的偏差都不會太大， 但當LED串聯起來時，總的偏差就不能忽略了。PAR燈的實際功率可能不止9W或者不到9W,直接反應在燈上就是最大亮度沒有到額定值或者比額定值要亮。當PAR燈的實際功率不到9W時，而驅動的輸出功率依然是9W，那么流經LED的電流I_F就已經超過了額定的I_F，長期工作對LED的壽命和顯色性都會造成一定的影響。

　　另外，就算LED出廠時V_F沒有偏差，根據圖1.2所示，V_F也會隨著溫度和工作時間的變化而變化，當由于V_F的變化使得LED的額定功率小于9W時，長期工作將會影響LED的使用壽命和顯色性。

　　再次，功率兼容性問題。由于恒功率控制方式都是預先設定好輸出功率，當所接的燈功率與預先設定的功率不匹配時，LED燈不能正常工作。當所接的燈的功率小于預設功率時，甚至會燒毀LED燈。

　　還有就是空載損耗的問題，由于恒功率控制方案的輸出功率只與輸入電壓和導通角的大小有關，當沒有與接LED燈時，依然會有相應的功率輸出，使得空載損耗變得很大。

　　最后，調光器的兼容性問題。由于LED是用來替代以前的白熾燈，所以LED調光也必須用可控硅調光。白熾燈是純阻性負載，對可控硅的導通不會造成什么影響，但LED的驅動電路由開關電源組成，就不是一個純負載了，因此會對可控硅造成一定的影響。可控硅的斬波波形很容易產生畸變，尤其很難保持很好的導通狀態(tài)。所以在驅動上一般都要加可控硅穩(wěn)定電路。恒功率控制法由于其純硬件實現，就算加了可控硅穩(wěn)定電路，對調光器的適應性也有限。

　　由于恒功率控制有其結構簡單，成本低的優(yōu)點，而其缺點部分短時間里可能沒能體現出來，所以很多半導體廠商都采用此方法。但若采用MCU控制恒流的方案，以上問題都可以很好的解決。

　　3 基于MCU控制恒流的方案

　　世強電訊提出的基于MCU控制恒流的方案整體框圖如圖3.1所示。方案由兩級組成，第一級為FLYBACK，采用閉環(huán)控制以輸出一個穩(wěn)定的電壓給第二級供電，第二級采用MCU控制，組成一個BUCK恒流控制電路。其中MCU要完成的功能包括；1：根據可控硅導通角的大小，給出相應的調光信號。2：根據可控硅斬波后波形的畸變情況決定是否需要改變調光信號。3：通過檢測LED的電流反饋，給出相應的占空比，穩(wěn)定流經LED的電流，達到恒流控制。

　　圖3.1 基于MCU控制恒流的方案整體框圖

　　3.1 理論依據

　　恒流控制電路拓撲結構為BUCK電路，BUCK用于恒壓輸出時候，輸入電壓與輸出電壓的關系為：

　　式中：

　　V₀為輸出電壓；
　　D為占空比；
　　V_in為輸入電壓。

　　從式3.1中可以看出，輸出電壓與占空比和輸入電壓都成正比。在閉環(huán)控制中，取輸出電壓反饋信號V_FB與預設基準電壓V_ref比較，當輸入電壓一定時，如果V_FB大于V_ref，則減小占空比D，相反當V_FB小于V_ref時，增大D，以達到穩(wěn)壓的效果。

　　所以，當BUCK電路用于恒流控制時，只要把電壓反饋信號改成電流反饋信號就可以達到恒流的效果。

　　3.2 優(yōu)缺點

　　由于MCU控制恒流方案由于采用恒流控制，針對恒功率控制方案中出現的問題都能很好的解決；

　　首先，針對由于V_F的偏差對LED的使用壽命和顯色性的影響問題。采用恒流控制方案，當V_F有偏差或者隨著溫度和工作時間的變化而變化時，只要D不變，輸出給LED的電流并不會發(fā)生太大的變化。雖然LED的正向電流I_F也會隨著溫度和工作時間的變化而變化，但每個LED的I_F偏差都都不會太大，對于用多個LED串連起來組成的大功率LED燈，并不會對LED的使用壽命和顯色性造成任何的影響。

　　其次，由于采用閉環(huán)控制，可以達到很高的輸出電流的精度。能保證燈的一致性。

　　再次，功率兼容性問題。MCU恒流控制方案能兼容額定功率以下的LED燈。對于串聯的LED燈，改變輸出功率的大小，只是改變了LED燈的數目n和輸出給LED燈的電壓V_LED，并不會改變輸出電流的大小。當輸出功率比額定功率小時，加在LED燈上的箝位電壓n*V_F變小，而輸出給LED的電壓V_LED此時依然為額定值，所以流經LED的電流會變大，使得電流反饋信號V_IFB大于基準電壓V_ref，那么占空比會變小，輸出電壓V_LED變小，流經LED的電流也變小，直到額定電流值。所以可以兼容額定功率以下的LED燈。

　　而針對空載損耗問題，可以用MCU檢測是否有負載接入，當檢測到沒有LED接入時，可以關閉后級的BUCK電路，減小空載損耗。

　　最后，可控硅的兼容性問題。恒功率控制方案中，采用純硬件模式來穩(wěn)定可控硅的導通，對調光器的適應性還是有限。在MCU控制恒流方案中，除了有硬件穩(wěn)定電路，還有軟件對可控硅斬波后的波形進行辨別處理?？梢酝ㄟ^軟件設置，判斷斬波后的波形是畸變還是真的在調光，從而決定要不要改變相應的調光信號。所以MCU控制恒流方案提高了對調光器的適應性。

　　當然，由于MCU恒流控制采用兩級閉環(huán)控制方案，相對于ASIC的恒功率單級控制方案，也存在一些不足之處，首先就是在結構上要比恒功率控制方案復雜，成本上略高1~2RMB，另外就是效率比恒功率方案要低，但完全能滿足“能源之星”的要求。

　　4總結

　　表1兩種方案的優(yōu)劣對比

　　通過上述的分析比較，不難看出，在一致性、功率兼容性、調光器的兼容性和對LED的使用壽命和顯色性的影響等關鍵指標方面，MCU控制恒流方案都要比ASIC控制恒功率方案有絕對的優(yōu)勢。