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LED照明设计(4)脉冲调制PWM电路详解

2010-07-22 17:06
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  (摘自MONOist )(CCS编译)
  CYBERNET 应用系统事业部

  LED照明设计(1)LED照明基础
  LED照明设计(2)不可或缺的“散热解决方案”
  LED照明设计(3)LED电特性及简单驱动电路
  LED照明设计(4)脉冲调制PWM电路详解

  LED照明作为新一代照明受到了广泛的关注。仅仅依靠LED封装并不能制作出好的照明灯具。本文主要从电子电路、热分析、光学方面阐述了如何运用LED特性进行设计。

  在上一期的“LED驱动电路设计-基础篇”中,介绍了LED的电子特性和基本的驱动电路。遗憾的是,阻抗型驱动电路和恒电流源型驱动电路,大范围输入电压和大电流中性能并不强,有时并不能发挥出LED的性能。相反,用脉冲调制方法驱动LED电路,能够发挥LED的多个优点。这次主要针对运用脉冲调制的驱动电路进行说明。

  PWM是什么?

  脉冲调制英文表示是Pulse Width Modulation,简称PWM。PWM是调节脉冲波占空比的一种方式。如图1所示,脉冲的占空比可以用脉冲周期、On-time、Off-time表示,如下公式:

  占空比=On-time(脉冲的High时间)/ 脉冲的一个周期(On-time + Off-time)

  Tsw(一周期)可以是开关周期,也可以是Fsw=1/Tsw的开关频率。

 Pulse Width Modulation (PWM)
  图1 Pulse Width Modulation (PWM)


  在运用PWM的驱动电路中,可以通过增减占空比,控制脉冲一个周期的平均值。运用该原理,如果能控制电路上的开关设计(半导体管、MOSFET、IGBT等)的打开时间(关闭时间),就能够调节LED电流的效率。这就是接下来要介绍的PWM控制。

  PWM信号的应用

  PWM控制电路的一个特征是只要改变脉冲幅度就能控制各种输出。图2的降压电路帮助理解PWM的控制原理。在这个电路中,将24V的输入电压转换成12V,需要增加负载。负载就是单纯的阻抗。电压转换电路的方法有很多,运用PWM信号的效果如何呢?

 降压电路
图2 降压电路


  在图2的降压电路中取PWM控制电路,如图3所示。MOSFEL作为开关设计使用。当PWM信号的转换频率数为20kHz时,转换周期为50μs。PWM信号为High的时候,开关为On,电流从输入端流经负载。当PWM信号处于Low状态时,开关Off,没有输入和输出,电流也断掉。

  这里尝试将PWM信号的占空比固定在50%,施加在开关中。

  开关开着的时候电流和电压施加到负载上。开关关着的时候因为没有电流,所以负载的供给电压为零。如图4绿色的波形、V(OUT)可在负载中看到输出电压。

 运用PWM信号的降压电路
  图3 运用PWM信号的降压电路
 解析结果 占空比:50% 
  图4 解析结果 占空比:50%


  输入电压是直流,通过脉冲信号得到输出电压在负载的前端(开关的后端)插入平滑电路,就可以得到如图4所示的茶色的波形。输出脉冲的平均值约12V时,直流电压可以供给负载。

  但如果不是12V,而是想得到6V的输出电压时,应该怎么做?PWM控制的优点实际就在此。只需改变脉冲幅度就可以了。实际上,只需设定占空比为25%就可以得到平均输出6V的电压。图5和图6表示的是这种情况下的电路和解析结果。

 运用PWM信号的降压电路
  图5 运用PWM信号的降压电路
 解析结果 占空比约25%
  图6 解析结果 占空比约25%


  以上结果标明,降压电路中,输入输出电压的关系可以表示为:

  输出电压=PWM信号的占空比×输入电压

  也就是说只要改变PWM信号的占空比,就可以得到任意的输出电压。接下来介绍在实际产品设计中运用降压转换器电路驱动LED的方法。

  PWM驱动电路例子

  如图7所示,在前述的降压电路中追加线圈、电容、二极管的电路。在这里没有考虑反馈电路。这里使用的是飞利浦照明的LUXEON系列的LXM3-PW71 LED。LED(负载)的前端插入的线圈和电容构成平滑电路,通过转换使得脉冲输出平均化。线圈前端的二极管即使在开关关着的时候也能持续向线圈供给电流。降压转换器通常作为电压转换电路使用,但是在驱动LED时,则需要控制电流而不是电压。

 PWM驱动电路降压转换的例子
  图7 PWM驱动电路降压转换的例子


  认图7的电路构成。当脉冲信号处于On的状态,也就是开关设计处于On的状态时,电流按照输入信号-开关-线圈-负载的顺序流动。当开关设计处于Off的状态时,电流按照二极管-线圈-负载的顺序流动。因此要控制线圈中的电流实际上等同于控制LED中的电流。

  在正极和负极间施加3.0V的电压的话,可以从数据库中看到,LXM3-PW71的电流约350mA。输入电压为12V时,设定脉冲波的占空比为25%(12V×0.25=3V),就能得到3V的电压。当转换频率数为100kHz时,转换周期为10μs,脉冲幅度为2.5μs。但是,负载只在顺阻抗的情况下成立,实际在负载中运用LED时,根据电流大小负载特性也有变化,电流约为350mA时,脉冲幅度调制约为3.36μs。验证电路的结果如图8所示。

    PWM驱动电路的验证结果
图8 PWM驱动电路的验证结果


  LED中的电流发生变化,线圈中的电流也变化。通过传感电路检测线圈电流的变化,只要控制开关的打开时间,就能够使得LED负载中的电流恒定。增加PWM的占空比,就能增加LED中的电流,也能增加亮度。比较阻抗驱动型电路和恒定电流源型驱动电路,改变PWM的占空比比改变阻抗值和电路常量更高效,也因此能了解PWM控制的便利性。

  这次介绍的降压转换器运用于LED驱动中需要电压比输入电压低的情况。根据照明灯具、用途不同,有时需要同时驱动多个LED,这样会出现所有的LED驱动中的必需电压比输入电压高。这种情况下,就需要使用能够制作比输入电压高的电压的升压转换器。

  在LED照明中,有效利用电力的同时还需要小型化。照明灯具中,将输入电压转为LED驱动电压的时候,会出现转换损耗,转换损耗越大越容易引起热的问题。同时,如果开关频率数增加,变压器和线圈会变小,虽然整个线路板能够实现小型化,但由于高开关频率数会导致转换损耗,出现高次谐波问题。因此,在LED的PWM驱动电路中,力争实现高效和少零部件。

  为了保持照明灯具的亮度稳定或者调节亮度,需要在传感器中检测负载电流、进行控制演算、调整脉冲的占空比的反馈控制电路。本文没有对反馈控制电路进行介绍,但是值得注意的是,反馈控制电路包含电压控制、迟滞控制、类似迟滞控制、电流控制等多种。各种控制方式有优点也有缺点,需要我们根据照明灯具的作法和适用的电路方式选择最佳的控制方式。

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