LED照明設(shè)計(jì)脈沖調(diào)制PWM電路詳解

　　LED照明作為新一代照明受到了廣泛的關(guān)注。僅僅依靠LED封裝并不能制作出好的照明燈具。本文主要從電子電路、熱分析、光學(xué)方面闡述了如何運(yùn)用LED特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　在上一期的“LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)－基礎(chǔ)篇”中，介紹了LED的電子特性和基本的驅(qū)動(dòng)電路。遺憾的是，阻抗型驅(qū)動(dòng)電路和恒電流源型驅(qū)動(dòng)電路，大范圍輸入電壓和大電流中性能并不強(qiáng)，有時(shí)并不能發(fā)揮出LED的性能。相反，用脈沖調(diào)制方法驅(qū)動(dòng)LED電路，能夠發(fā)揮LED的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。這次主要針對(duì)運(yùn)用脈沖調(diào)制的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行說明。

　　PWM是什么？

　　脈沖調(diào)制英文表示是Pulse Width Modulation，簡稱PWM。PWM是調(diào)節(jié)脈沖波占空比的一種方式。如圖1所示，脈沖的占空比可以用脈沖周期、On-time、Off-time表示，如下公式：

　　占空比＝On-time（脈沖的High時(shí)間）/ 脈沖的一個(gè)周期（On-time + Off-time）

　　Tsw（一周期）可以是開關(guān)周期，也可以是Fsw=1/Tsw的開關(guān)頻率。

　　圖1 Pulse Width Modulation (PWM)

　　在運(yùn)用PWM的驅(qū)動(dòng)電路中，可以通過增減占空比，控制脈沖一個(gè)周期的平均值。運(yùn)用該原理，如果能控制電路上的開關(guān)設(shè)計(jì)（半導(dǎo)體管、MOSFET、IGBT等）的打開時(shí)間（關(guān)閉時(shí)間），就能夠調(diào)節(jié)LED電流的效率。這就是接下來要介紹的PWM控制。

　　PWM信號(hào)的應(yīng)用

　　PWM控制電路的一個(gè)特征是只要改變脈沖幅度就能控制各種輸出。圖2的降壓電路幫助理解PWM的控制原理。在這個(gè)電路中，將24V的輸入電壓轉(zhuǎn)換成12V，需要增加負(fù)載。負(fù)載就是單純的阻抗。電壓轉(zhuǎn)換電路的方法有很多，運(yùn)用PWM信號(hào)的效果如何呢？

圖2 降壓電路

　　在圖2的降壓電路中取PWM控制電路，如圖3所示。MOSFEL作為開關(guān)設(shè)計(jì)使用。當(dāng)PWM信號(hào)的轉(zhuǎn)換頻率數(shù)為20kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換周期為50μs。PWM信號(hào)為High的時(shí)候，開關(guān)為On，電流從輸入端流經(jīng)負(fù)載。當(dāng)PWM信號(hào)處于Low狀態(tài)時(shí)，開關(guān)Off，沒有輸入和輸出，電流也斷掉。

　　這里嘗試將PWM信號(hào)的占空比固定在50％，施加在開關(guān)中。

　　開關(guān)開著的時(shí)候電流和電壓施加到負(fù)載上。開關(guān)關(guān)著的時(shí)候因?yàn)闆]有電流，所以負(fù)載的供給電壓為零。如圖4綠色的波形、V（OUT）可在負(fù)載中看到輸出電壓。

　　圖3 運(yùn)用PWM信號(hào)的降壓電路

　　圖4 解析結(jié)果 占空比：50％

　　輸入電壓是直流，通過脈沖信號(hào)得到輸出電壓在負(fù)載的前端（開關(guān)的后端）插入平滑電路，就可以得到如圖4所示的茶色的波形。輸出脈沖的平均值約12V時(shí)，直流電壓可以供給負(fù)載。

　　但如果不是12V，而是想得到6V的輸出電壓時(shí)，應(yīng)該怎么做？PWM控制的優(yōu)點(diǎn)實(shí)際就在此。只需改變脈沖幅度就可以了。實(shí)際上，只需設(shè)定占空比為25％就可以得到平均輸出6V的電壓。圖5和圖6表示的是這種情況下的電路和解析結(jié)果。

　　圖5 運(yùn)用PWM信號(hào)的降壓電路

　　圖6 解析結(jié)果 占空比約25％

　　以上結(jié)果標(biāo)明，降壓電路中，輸入輸出電壓的關(guān)系可以表示為：

　　輸出電壓＝PWM信號(hào)的占空比×輸入電壓

　　也就是說只要改變PWM信號(hào)的占空比，就可以得到任意的輸出電壓。接下來介紹在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中運(yùn)用降壓轉(zhuǎn)換器電路驅(qū)動(dòng)LED的方法。

　　PWM驅(qū)動(dòng)電路例子

　　如圖7所示，在前述的降壓電路中追加線圈、電容、二極管的電路。在這里沒有考慮反饋電路。這里使用的是飛利浦照明的LUXEON系列的LXM3-PW71 LED。LED（負(fù)載）的前端插入的線圈和電容構(gòu)成平滑電路，通過轉(zhuǎn)換使得脈沖輸出平均化。線圈前端的二極管即使在開關(guān)關(guān)著的時(shí)候也能持續(xù)向線圈供給電流。降壓轉(zhuǎn)換器通常作為電壓轉(zhuǎn)換電路使用，但是在驅(qū)動(dòng)LED時(shí)，則需要控制電流而不是電壓。

　　圖7 PWM驅(qū)動(dòng)電路降壓轉(zhuǎn)換的例子

　　認(rèn)圖7的電路構(gòu)成。當(dāng)脈沖信號(hào)處于On的狀態(tài)，也就是開關(guān)設(shè)計(jì)處于On的狀態(tài)時(shí)，電流按照輸入信號(hào)－開關(guān)－線圈－負(fù)載的順序流動(dòng)。當(dāng)開關(guān)設(shè)計(jì)處于Off的狀態(tài)時(shí)，電流按照二極管－線圈－負(fù)載的順序流動(dòng)。因此要控制線圈中的電流實(shí)際上等同于控制LED中的電流。

　　在正極和負(fù)極間施加3.0V的電壓的話，可以從數(shù)據(jù)庫中看到，LXM3-PW71的電流約350mA。輸入電壓為12V時(shí)，設(shè)定脈沖波的占空比為25％（12V×0.25＝3V），就能得到3V的電壓。當(dāng)轉(zhuǎn)換頻率數(shù)為100kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換周期為10μs，脈沖幅度為2.5μs。但是，負(fù)載只在順阻抗的情況下成立，實(shí)際在負(fù)載中運(yùn)用LED時(shí)，根據(jù)電流大小負(fù)載特性也有變化，電流約為350mA時(shí)，脈沖幅度調(diào)制約為3.36μs。驗(yàn)證電路的結(jié)果如圖8所示。

　　
圖8 PWM驅(qū)動(dòng)電路的驗(yàn)證結(jié)果

　　LED中的電流發(fā)生變化，線圈中的電流也變化。通過傳感電路檢測線圈電流的變化，只要控制開關(guān)的打開時(shí)間，就能夠使得LED負(fù)載中的電流恒定。增加PWM的占空比，就能增加LED中的電流，也能增加亮度。比較阻抗驅(qū)動(dòng)型電路和恒定電流源型驅(qū)動(dòng)電路，改變PWM的占空比比改變阻抗值和電路常量更高效，也因此能了解PWM控制的便利性。

　　這次介紹的降壓轉(zhuǎn)換器運(yùn)用于LED驅(qū)動(dòng)中需要電壓比輸入電壓低的情況。根據(jù)照明燈具、用途不同，有時(shí)需要同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED，這樣會(huì)出現(xiàn)所有的LED驅(qū)動(dòng)中的必需電壓比輸入電壓高。這種情況下，就需要使用能夠制作比輸入電壓高的電壓的升壓轉(zhuǎn)換器。

　　在LED照明中，有效利用電力的同時(shí)還需要小型化。照明燈具中，將輸入電壓轉(zhuǎn)為LED驅(qū)動(dòng)電壓的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)換損耗，轉(zhuǎn)換損耗越大越容易引起熱的問題。同時(shí)，如果開關(guān)頻率數(shù)增加，變壓器和線圈會(huì)變小，雖然整個(gè)線路板能夠?qū)崿F(xiàn)小型化，但由于高開關(guān)頻率數(shù)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換損耗，出現(xiàn)高次諧波問題。因此，在LED的PWM驅(qū)動(dòng)電路中，力爭實(shí)現(xiàn)高效和少零部件。

　　為了保持照明燈具的亮度穩(wěn)定或者調(diào)節(jié)亮度，需要在傳感器中檢測負(fù)載電流、進(jìn)行控制演算、調(diào)整脈沖的占空比的反饋控制電路。本文沒有對(duì)反饋控制電路進(jìn)行介紹，但是值得注意的是，反饋控制電路包含電壓控制、遲滯控制、類似遲滯控制、電流控制等多種。各種控制方式有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)，需要我們根據(jù)照明燈具的作法和適用的電路方式選擇最佳的控制方式。