基于MCU和基于ASIC的LED可控硅調(diào)光方案對(duì)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(shì)越來越受到人們重視。加上國(guó)家和地方政府的政策鼓勵(lì)，我國(guó)的LED照明產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了加速發(fā)展階段，運(yùn)用市場(chǎng)迅速增長(zhǎng)。在室內(nèi)照明方面，用LED燈替代傳統(tǒng)的可調(diào)光白熾燈或者鹵素?zé)粢矊⑹谴髣?shì)所趨。由于傳統(tǒng)的白熾燈調(diào)光器采用可控硅調(diào)光器，用LED燈替代白熾燈時(shí)，要求不能改變?cè)芯€路，還要能適應(yīng)現(xiàn)有的可控硅調(diào)光器。針對(duì)這一目標(biāo)市場(chǎng)，目前很多大的半導(dǎo)體廠商（包括國(guó)際知名半導(dǎo)體廠商）都已經(jīng)推出了自己的LED調(diào)光ASIC，但由于LED固有的發(fā)光原理，目前市面上的LED ASIC調(diào)光案都還不是很成熟，都有其固有的問題，本文就將針對(duì)目前的調(diào)光方案做一個(gè)詳細(xì)的分析，并介紹我們基于MCU的調(diào)光方案。

　　1 LED的發(fā)光特性

　　目前的新技術(shù)使LED能夠達(dá)到很高的功率水平，LED的功率能夠達(dá)到1W，甚至有些達(dá)到5W，光效達(dá)到60-85LM/W，這種LED設(shè)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(lián)的方式組成大功率LED燈，尤其以串聯(lián)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(dāng)加在LED兩端的電壓沒有達(dá)到3.4V之前，V_F隨著的增加而增加。當(dāng)加在LED兩端的電壓達(dá)到3.4V時(shí)，V_F的變化很小，增加LED兩端的電壓只會(huì)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(dá)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(huì)隨著溫度和LED工作時(shí)間的變化而變化，變化曲線如圖1.2所示。　　

圖1.2 V_F相對(duì)變化對(duì)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(huì)逐漸變小，相反，當(dāng)溫度降低時(shí)，V_F會(huì)增加。當(dāng)LED的溫度上升到85度時(shí), V_F已經(jīng)有變成3.25V（3.4V-0.15V）,相反當(dāng)LED溫度降到-40度時(shí)，V_F變成3.6V（3.4V+0.2V）。

　　所以在LED調(diào)光時(shí)，要想讓LED調(diào)到一個(gè)固定的亮度，就必須要保證一個(gè)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(diào)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(diào)光方式

　　2.1 理論依據(jù)

　　恒功率控制方式一般采用單級(jí)FLYBACK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(guān)電源的FLYBACK相比，恒功率方案多了一個(gè)調(diào)光信號(hào)控制回路，用于檢測(cè)輸入可控硅的導(dǎo)通角和輸入電壓，從而給出相應(yīng)的調(diào)光信號(hào)。同時(shí)，方案中沒有反饋信號(hào)，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(jù)為：

　　式中：

　　P為輸出給LED的功率；
　　η為轉(zhuǎn)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(guān)頻率。

　　恒功率控制方式都是先預(yù)知LED的輸出功率P，理論上，一旦變壓器設(shè)計(jì)好之后，f，L_P，η都已確定，只要改變?cè)呺娏鱅_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(guān)頻率；L_P為變壓器的原邊電感。根據(jù)式2.2可知，I_P與D成正比，只要改變占空比D就能改變?cè)呺娏鞯拇笮?，也就能改變輸出功率的大小?

　　2.2 優(yōu)缺點(diǎn)

　　理論上，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但仔細(xì)分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)，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(shí)，用同樣的占空比都會(huì)導(dǎo)致輸出功率偏差很大，直接體現(xiàn)在燈上就是LED的亮度會(huì)偏差很大，很難保證其一致性。

　　其次，恒功率控制都是預(yù)先假定輸出功率是恒定的，比如用9個(gè)1W（V_F=3.4V, I_F=350MA）的LED串聯(lián)起來用做一個(gè)9W的PAR燈，那么設(shè)計(jì)時(shí)候就會(huì)用P=9W來計(jì)算。但實(shí)際上每個(gè)LED的V_F都會(huì)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(gè)LED的偏差都不會(huì)太大， 但當(dāng)LED串聯(lián)起來時(shí)，總的偏差就不能忽略了。PAR燈的實(shí)際功率可能不止9W或者不到9W,直接反應(yīng)在燈上就是最大亮度沒有到額定值或者比額定值要亮。當(dāng)PAR燈的實(shí)際功率不到9W時(shí)，而驅(qū)動(dòng)的輸出功率依然是9W，那么流經(jīng)LED的電流I_F就已經(jīng)超過了額定的I_F，長(zhǎng)期工作對(duì)LED的壽命和顯色性都會(huì)造成一定的影響。

　　另外，就算LED出廠時(shí)V_F沒有偏差，根據(jù)圖1.2所示，V_F也會(huì)隨著溫度和工作時(shí)間的變化而變化，當(dāng)由于V_F的變化使得LED的額定功率小于9W時(shí)，長(zhǎng)期工作將會(huì)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(yù)先設(shè)定好輸出功率，當(dāng)所接的燈功率與預(yù)先設(shè)定的功率不匹配時(shí)，LED燈不能正常工作。當(dāng)所接的燈的功率小于預(yù)設(shè)功率時(shí)，甚至?xí)龤ED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(dǎo)通角的大小有關(guān)，當(dāng)沒有與接LED燈時(shí)，依然會(huì)有相應(yīng)的功率輸出，使得空載損耗變得很大。

　　最后，調(diào)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(diào)光也必須用可控硅調(diào)光。白熾燈是純阻性負(fù)載，對(duì)可控硅的導(dǎo)通不會(huì)造成什么影響，但LED的驅(qū)動(dòng)電路由開關(guān)電源組成，就不是一個(gè)純負(fù)載了，因此會(huì)對(duì)可控硅造成一定的影響。可控硅的斬波波形很容易產(chǎn)生畸變，尤其很難保持很好的導(dǎo)通狀態(tài)。所以在驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)，就算加了可控硅穩(wěn)定電路，對(duì)調(diào)光器的適應(yīng)性也有限。

　　由于恒功率控制有其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低的優(yōu)點(diǎn)，而其缺點(diǎn)部分短時(shí)間里可能沒能體現(xiàn)出來，所以很多半導(dǎo)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(qiáng)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(jí)組成，第一級(jí)為FLYBACK，采用閉環(huán)控制以輸出一個(gè)穩(wěn)定的電壓給第二級(jí)供電，第二級(jí)采用MCU控制，組成一個(gè)BUCK恒流控制電路。其中MCU要完成的功能包括；1：根據(jù)可控硅導(dǎo)通角的大小，給出相應(yīng)的調(diào)光信號(hào)。2：根據(jù)可控硅斬波后波形的畸變情況決定是否需要改變調(diào)光信號(hào)。3：通過檢測(cè)LED的電流反饋，給出相應(yīng)的占空比，穩(wěn)定流經(jīng)LED的電流，達(dá)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(jù)

　　恒流控制電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為BUCK電路，BUCK用于恒壓輸出時(shí)候，輸入電壓與輸出電壓的關(guān)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(hào)V_FB與預(yù)設(shè)基準(zhǔn)電壓V_ref比較，當(dāng)輸入電壓一定時(shí)，如果V_FB大于V_ref，則減小占空比D，相反當(dāng)V_FB小于V_ref時(shí)，增大D，以達(dá)到穩(wěn)壓的效果。

　　所以，當(dāng)BUCK電路用于恒流控制時(shí)，只要把電壓反饋信號(hào)改成電流反饋信號(hào)就可以達(dá)到恒流的效果。

　　3.2 優(yōu)缺點(diǎn)

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

　　首先，針對(duì)由于V_F的偏差對(duì)LED的使用壽命和顯色性的影響問題。采用恒流控制方案，當(dāng)V_F有偏差或者隨著溫度和工作時(shí)間的變化而變化時(shí)，只要D不變，輸出給LED的電流并不會(huì)發(fā)生太大的變化。雖然LED的正向電流I_F也會(huì)隨著溫度和工作時(shí)間的變化而變化，但每個(gè)LED的I_F偏差都都不會(huì)太大，對(duì)于用多個(gè)LED串連起來組成的大功率LED燈，并不會(huì)對(duì)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(dá)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(duì)于串聯(lián)的LED燈，改變輸出功率的大小，只是改變了LED燈的數(shù)目n和輸出給LED燈的電壓V_LED，并不會(huì)改變輸出電流的大小。當(dāng)輸出功率比額定功率小時(shí)，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(shí)依然為額定值，所以流經(jīng)LED的電流會(huì)變大，使得電流反饋信號(hào)V_IFB大于基準(zhǔn)電壓V_ref，那么占空比會(huì)變小，輸出電壓V_LED變小，流經(jīng)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(duì)空載損耗問題，可以用MCU檢測(cè)是否有負(fù)載接入，當(dāng)檢測(cè)到?jīng)]有LED接入時(shí)，可以關(guān)閉后級(jí)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(dǎo)通，對(duì)調(diào)光器的適應(yīng)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(duì)可控硅斬波后的波形進(jìn)行辨別處理?？梢酝ㄟ^軟件設(shè)置，判斷斬波后的波形是畸變還是真的在調(diào)光，從而決定要不要改變相應(yīng)的調(diào)光信號(hào)。所以MCU控制恒流方案提高了對(duì)調(diào)光器的適應(yīng)性。

　　當(dāng)然，由于MCU恒流控制采用兩級(jí)閉環(huán)控制方案，相對(duì)于ASIC的恒功率單級(jí)控制方案，也存在一些不足之處，首先就是在結(jié)構(gòu)上要比恒功率控制方案復(fù)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(jié)

　　表1兩種方案的優(yōu)劣對(duì)比

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