1.4 LED照明調(diào)光電路

1.4.1 LED模擬調(diào)光電路

LED照明燈根據(jù)不同的使用目標(biāo)，選擇不同的調(diào)光驅(qū)動(dòng)方式，如使用LED做背光源時(shí)，要根據(jù)LED的發(fā)光亮度、不同的環(huán)境將發(fā)光源亮度做相應(yīng)的變化，這時(shí)就要選用LED不同的驅(qū)動(dòng)器，其調(diào)光方式有模擬調(diào)光、數(shù)字調(diào)光、脈寬調(diào)光、晶閘管調(diào)光和無線調(diào)光等。我們知道，各種調(diào)光都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的用途、環(huán)境來選擇不同的LED驅(qū)動(dòng)器，例如，作汽車內(nèi)部液晶顯示器背光，受使用環(huán)境的影響，汽車內(nèi)的亮度變化較大，有陰天、晴天、白天、黑夜之分，所以使用環(huán)境變化很大，因此，相對LED照明的亮度和照度的范圍很大，要求調(diào)光比達(dá)到1000∶1，這時(shí)，可采用PWM調(diào)光方式；而家用照明的亮度變化較小，可采用雙向晶閘管調(diào)光方式。

1.模擬調(diào)光的特點(diǎn)

所謂模擬信號調(diào)光是利用直流電壓或電流作信號對LED驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)LED線性調(diào)光，根據(jù)調(diào)光方式，要求觸發(fā)信號是連續(xù)性的，這種模擬調(diào)光的特點(diǎn)是觸發(fā)電路簡單、制作容易，因?yàn)槭沁B續(xù)觸發(fā)，LED發(fā)光源無閃爍、亮度穩(wěn)定。但是，也有不可回避的缺點(diǎn)：由于實(shí)施模擬信號，使得調(diào)光的范圍小。當(dāng)觸發(fā)信號發(fā)生變化時(shí)，結(jié)果使得LED發(fā)光源發(fā)生偏色，影響發(fā)光質(zhì)量。其次，由于用模擬信號驅(qū)動(dòng)LED，而使LED始終處于工作調(diào)光狀態(tài)，連續(xù)型信號的觸發(fā)增加電源的損耗，降低電源效率，這種方式不可取。模擬調(diào)光一般對連續(xù)信號進(jìn)行調(diào)制。

2.MT7201在LED驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用

高性能的MT7201，輸出LED恒流驅(qū)動(dòng)，具有很高的一次性價(jià)比，與其他國內(nèi)外LED驅(qū)動(dòng)芯片相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)：由圖1-42可知，電路具有極少的外部元器件，制造容易，成本極低；很寬的輸入電壓范圍，為7～40V；極高的工作效率，高達(dá)95%；使用ADJ腳，可進(jìn)行LED開關(guān)、模擬調(diào)光和PWM調(diào)光；輸出電流精度高達(dá)1.5%，對輸出電流能進(jìn)行可調(diào)的恒流控制，所以為恒流、恒壓輸出驅(qū)動(dòng)LED創(chuàng)造了有利條件；LED電路具有開路、輸出短路以及芯片過溫保護(hù)。電路適用于LED射燈、日光燈、路燈、交通指示燈。引腳完全兼容ZXLD1350/ZXLD1360、PT4115、SN3350等各種驅(qū)動(dòng)芯片，不需大的調(diào)試。

圖1-42 MT7201模擬調(diào)光原理應(yīng)用

1.4.2 LED脈寬調(diào)光電路

脈寬調(diào)光（PWM調(diào)光）是將PWM信號驅(qū)動(dòng)開關(guān)管點(diǎn)燃LED發(fā)光，通過調(diào)節(jié)LED的工作電流調(diào)整LED的發(fā)光亮度，因此，LED一直處在恒流條件下工作，無論調(diào)光比的大小，都不影響工作電流。PWM調(diào)光處在低頻時(shí)，占空比的調(diào)節(jié)范圍從1%～100%變化，調(diào)光比高達(dá)3000∶1。在整個(gè)調(diào)光范圍內(nèi)，由于LED的工作電流處于最大值，調(diào)節(jié)占空比只是改變LED的平均電流，因此，PWM調(diào)光不會(huì)因?yàn)殡娏鞯淖兓霈F(xiàn)偏光。現(xiàn)階段，一般PWM調(diào)光頻率為200Hz，最高達(dá)20kHz，低頻調(diào)光不會(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，LED驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)換效率高，但PWM調(diào)光電路較模擬調(diào)光復(fù)雜、產(chǎn)品成本較高，而且PWM調(diào)光驅(qū)動(dòng)電源往往由于電路中的電容電感會(huì)產(chǎn)生低于20kHz的低頻噪聲。不過，這種噪聲通過電路設(shè)計(jì)PCB合理布局是可以克服的，PCB設(shè)計(jì)的難度不是很大，只需注意走線合理。PWM調(diào)光法能使功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)工作在零電壓開通（ZVS）狀態(tài)，關(guān)斷時(shí)需采用吸收充電電流，以達(dá)到零電流關(guān)斷（ZCS）狀態(tài)，這時(shí)EMI和功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力明顯降低，損耗減小。但要注意的是，如果高頻開關(guān)管的脈沖占空比太小，以致電感電流不連續(xù)，將失去ZVS工作特性，并且由于供電電壓較高而導(dǎo)致開關(guān)管電壓應(yīng)力加大，使開關(guān)管發(fā)燙并加大EMI輻射強(qiáng)度。只有保證電感電流的連續(xù)性，才能有效地工作在ZVS狀態(tài)。

1.PWM調(diào)光方式LTC3783工作原理與應(yīng)用

LTC3783調(diào)光驅(qū)動(dòng)模式分為恒壓源驅(qū)動(dòng)和恒流源驅(qū)動(dòng)。恒壓源驅(qū)動(dòng)的負(fù)載一般采用LED多路并聯(lián)，每個(gè)電路都有一只限流電阻，要求高電流輸出時(shí)，電路的轉(zhuǎn)換效率較低。因?yàn)長ED是電流型器件，即使電壓發(fā)生較小的變化也可引起電流大幅度改變，恒壓源驅(qū)動(dòng)對LED的發(fā)光亮度不變，適用于汽車LED驅(qū)動(dòng)的車燈上。恒流源驅(qū)動(dòng)時(shí)，一般在LED上串聯(lián)一只穩(wěn)壓二極管VS，如圖1-43所示。電路常用在汽車轉(zhuǎn)向燈、汽車點(diǎn)火器、太陽能照明燈、機(jī)頂盒和充電器上。如用在汽車前照燈時(shí)，通過調(diào)制LED亮度可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)光和近光轉(zhuǎn)換。當(dāng)輸入電壓波動(dòng)時(shí)，LED的電流跟著波動(dòng)，通過反饋電阻R₉進(jìn)行燈的亮度調(diào)節(jié)，而使LED流過的電流不變。電阻R₂、R₃是反饋信號取壓電阻，保證輸出電壓一定的穩(wěn)定性。VT₁、VT₂、電感L、穩(wěn)壓二極管VS、輸出電容C₆以及LED串，構(gòu)成升壓型電感式電流控制模式驅(qū)動(dòng)電路。改變芯片F(xiàn)REQ腳外接電阻R₄的大小，可改變高頻控制信號頻率f。GATE腳輸出的峰值脈沖為7V，它是PWMIN腳所接收的PWM脈沖和LTC3783高頻調(diào)制輸出脈沖之和。GATE腳驅(qū)動(dòng)MOS管VT₁的柵極控制VT₁的導(dǎo)通和截止，使電感L上的電流引起改變，產(chǎn)生壓降差值。經(jīng)穩(wěn)壓管恒壓，保持輸出電壓V_o不變。PWMOUT腳的脈沖信號驅(qū)動(dòng)VT₂的柵極，PWM脈沖占空比決定LED串的電流占空比，進(jìn)而調(diào)制燈的亮度。控制脈沖的頻率f=120Hz，為了實(shí)現(xiàn)占空比D的脈寬調(diào)光比1∶3000，要求芯片的工作頻率為1MHz，由電阻R₆決定。同時(shí)，R₆、R₈是VT₂柵極偏置電阻。

圖1-43 PWM調(diào)光LTC3783驅(qū)動(dòng)LED原理圖

LTC3783由凌力爾特公司生產(chǎn)。汽車前照燈串聯(lián)8只大功率白光LED。當(dāng)輸入電壓為10～14V時(shí)，輸出恒流電流為710mA，輸出電壓V_o為28.6V，輸出功率為20W，電源效率為92%。

2.LTC3783電路主要參數(shù)計(jì)算

（1）開關(guān)頻率f的選擇

PWM控制信號脈沖頻率的選取按f=N·V_o/D_min，采用PWM控制亮度時(shí)，一般頻率f=120Hz，每個(gè)控制脈沖包含兩個(gè)脈沖開關(guān)量，即N=2，為了達(dá)到數(shù)字化實(shí)現(xiàn)DPWM，一般調(diào)光比選配1∶3000，這時(shí)選用芯片頻率f=1MHz，它的工作頻率由FREQ上的電阻R₄（R₄=6kΩ）決定。

（2）計(jì)算電路轉(zhuǎn)換占空比D_min

D_max=Vo/（V_o+V_i-V_D）

式中，V_D為二極管壓降0.4V；V_i為輸入電壓，取25V；V_o為輸出電壓，取36V。設(shè)輸出電流為0.55A，則D_max=36/（36+25-0.4）=0.594，D_min=V_i/（V_o+V_i-V_D）=25/（36+25_-0.4）=0.413。

（3）計(jì)算輸入最大電流

I_i（max）=Io/Dmin=0.55A/0.413=1.332A

（4）計(jì)算電感L

流經(jīng)電感的紋波電流

式中，x為比例系數(shù)，取0.6。

則

（5）輸出電容C₆的計(jì)算

C₆的主要作用減少輸出紋波電流。LED上流過的紋波電流對LED的發(fā)光效率和燈的光衰有重要影響，在一定的電流下，紋波越大，則燈的熱量越高，光效越低，光衰越厲害，壽命越短。

設(shè)紋波電壓不超過輸出電壓的1%，則

電容C₆應(yīng)選用等效電阻值小、耐高壓的陶瓷電容為好。

（6）MOS管和續(xù)流二極管的選用

本電路輸出電壓為36V，宜選用高出輸出電壓130%的MOS管，那么MOS管的耐壓值為46.8V，管的最大電流為1.5A以上，實(shí)際選用耐壓值為60V、3倍的峰值電流為7.5A、管的內(nèi)阻為11mΩ的N溝道MOS管SI4470EY，VS的耐壓與MOS管相同，最大耐壓值為50V，流過VD的電流為負(fù)載電流700mA，所以選用MBR150。

1.4.3 LED雙向晶閘管調(diào)光電路

雙向晶閘管（TRIAC）調(diào)光器內(nèi)部包含有雙向晶閘管和雙向觸發(fā)二極管。雙向晶閘管是由兩只晶閘管反向并聯(lián)而成，使用一個(gè)觸發(fā)電路去觸發(fā)它的工作狀態(tài)，是較為理想的交流開關(guān)器件。

1.LM3445型雙向晶閘管調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)的工作原理

LM3445具有可變開關(guān)頻率和固定關(guān)斷時(shí)間的降壓式恒流控制功能，能對1A以上的輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，驅(qū)動(dòng)幾十只LED構(gòu)成的燈串，電源效率達(dá)到90%。當(dāng)交流輸入電壓過低時(shí)，TRIAC能提供維持電流，維護(hù)TRIAC處在導(dǎo)通狀態(tài)，還有過電壓和過電流保護(hù)功能，利用線路檢測，實(shí)現(xiàn)過電壓保護(hù)。LM3445內(nèi)置有泄放電路，如圖1-44所示，泄放電路的功能就是低電壓保護(hù)。利用片內(nèi)的檢測器和譯碼器，對波段信號首先進(jìn)行譯碼以獲得對LED的調(diào)光信號，其調(diào)光比為100∶1，占空比在0.25～0.75范圍內(nèi)，雙向晶閘管的導(dǎo)通角范圍是45°～135°可變。當(dāng)整流橋的輸出電壓V_B低于峰值電壓V_D時(shí)，由電路電容為降壓式變換器供電，因此，在整個(gè)供電交流周期內(nèi)，可直接從變換器輸出線路取得電流，這樣，大幅增加了整流管的導(dǎo)通角，提高了功率因數(shù)。LM3445的BLDR腳是片內(nèi)泄放電路輸入端，將線電壓信號輸入到檢測電路。COFF腳是芯片關(guān)斷時(shí)間設(shè)定端，通過外部電容C₁₀改變關(guān)斷時(shí)間。FLTR2腳是將調(diào)光信號變?yōu)殡妷嚎刂菩盘枺瑏砜刂芁ED的工作電流。ASNS腳是調(diào)光譯碼器輸出端，控制占空比與PWM脈沖信號的比例，對雙向晶閘管導(dǎo)通角控制進(jìn)行調(diào)光。D1M腳為IN/OUT端，PWM調(diào)光信號從該腳輸入，實(shí)現(xiàn)LM3445芯片同步調(diào)光。GATE腳為功率開關(guān)管的柵極驅(qū)動(dòng)端。V_CC腳為電源端。I_SEN腳為LED電流檢測端，進(jìn)行過電流保護(hù)。

圖1-44 TRIAC調(diào)光式驅(qū)動(dòng)LED原理圖

LM3445內(nèi)部包括延時(shí)電路、泄放電路、調(diào)光譯碼器、控制器、鋸齒波發(fā)生器、內(nèi)部穩(wěn)壓器、PWM比較器、斜波發(fā)生器、電流極限比較器、欠電壓保護(hù)電路、過熱保護(hù)電路、門電路、鎖存器、MOSFET驅(qū)動(dòng)器及前沿消隱電路等。

2.TRIAC調(diào)光式LM3445驅(qū)動(dòng)LED設(shè)計(jì)應(yīng)用

由LM3445構(gòu)成的TRIAC調(diào)光式LED驅(qū)動(dòng)電路，適用于美國電力供電標(biāo)準(zhǔn)，即V_i為AC90～130V，輸出電壓V_o為25.2V，能驅(qū)動(dòng)LED為正向壓降3.6V的7只HB-LED燈串，原理圖如圖1-44所示。圖中C₁～C₄、L₁為抑制EMI抗共模、差模平波電路，VD_Z1為浪涌電抑制器，設(shè)計(jì)時(shí)，采用兩只瞬態(tài)電壓抑制器反相串聯(lián)，這樣反向擊穿電壓V_R為160V，能排除由電源線引入的浪涌干擾電壓。整流橋UR采用KBP310作樣板，為降低諧波含量的基礎(chǔ)。C₅、C6、VD2～VD₄及R₁組成無源PFC電路，可將功率因數(shù)提高到0.92以上。大容量的濾波電容為輸出降低紋波起到一定的作用。

LM3445內(nèi)部的比較器信號與該腳所檢測的電壓，決定雙向晶閘管的導(dǎo)通角。比較器的輸出信號經(jīng)延遲后控制泄放電路。圖1-44中的R₄、C₁₁對輸出觸發(fā)脈沖進(jìn)行濾波。當(dāng)檢測信號電壓小于7.2V時(shí)，泄放電路的MOS管VT₁導(dǎo)通，這時(shí)，它的漏極電阻串聯(lián)到調(diào)光器上，所提供的工作電流保持雙向晶閘管的導(dǎo)通。相反，當(dāng)檢測信號電壓大于7.2V，內(nèi)部泄放電路不工作，起著過電壓保護(hù)的作用。

R₄、VS、VT₁組成輸入電壓檢測電路，它將電壓V_B轉(zhuǎn)換為一個(gè)合適的電壓信號送到LM3445的BLDR腳。圖中R₃的作用是為BLDR腳上所有的分布電容提供放電電路，R₃不宜過大，否則由于放電時(shí)間太長影響對LED的觸發(fā)電流。另外為調(diào)光器提供恒定的電流供給。VD₆、C₉構(gòu)成穩(wěn)壓網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)BLDR腳電壓降低時(shí)，使V_CC腳電壓保持不變，確保LM3445工作正常。TRIAC調(diào)光電路是電路的主體。從芯片ASNS腳輸出的電壓，通過R₄進(jìn)入FLTR1腳再進(jìn)入片內(nèi)的斜波比較器的反相輸入端，與鋸齒波產(chǎn)生的調(diào)制信號進(jìn)行比較，這時(shí)斜波比較器直接從DIM腳輸出一路調(diào)光信號。另外從MOS管VT₂和電阻R₂接到FL_- TR2腳，原理圖中的C₁₂為濾波電容。最后一路，由片內(nèi)的VT₂經(jīng)電阻R₂送到PWM比較器，如圖1-44所示。雙向晶閘管的調(diào)光占空比變化范圍為0.25～0.75，片內(nèi)調(diào)光直流輸出電壓為0～750mV，雙向晶閘管的導(dǎo)通角從45°～135°變化，能夠獲得0%～100%的調(diào)光功能。

LM3445的轉(zhuǎn)換電路由VT₂、L₂、R₅、R₈、C₁₀和VT₃組成。當(dāng)開關(guān)管VT₂導(dǎo)通時(shí)，工作電流經(jīng)電感L₂和LED燈串呈線性上升，R₅為輸出電流的檢測電阻，調(diào)節(jié)此電阻可改變燈的亮度，同時(shí)也可改變送到PWM比較器的轉(zhuǎn)換電壓，從而改變FLTR2腳上的比較電壓；當(dāng)兩者相等時(shí)，芯片內(nèi)的VT₂關(guān)斷。R₈、C₁₀和晶體管VT₃用來設(shè)定開關(guān)控制器的關(guān)斷時(shí)間，改變輸出電流的線性斜率，即改變LED亮度。

LM3445工作于可變工作頻率、固定開關(guān)時(shí)間，非隔離恒流控制電源通過外部功率開關(guān)管來驅(qū)動(dòng)LED燈，是一種TRIAC調(diào)光方式，適用于路燈、景觀燈、工業(yè)照明等領(lǐng)域。但各領(lǐng)域?qū)ED照明的發(fā)光強(qiáng)度要求是不一樣的，因此電路有些參量需經(jīng)改動(dòng)。