本文主要從電子電路、熱分析、光學 方面闡述了如何運用LED 特性進行設計。LED照明 作為新一代照明受到了廣泛的關注。僅僅依靠LED封裝 并不能制作出好的照明燈具。 這次主要針對運用脈沖調制的驅動電路進行說明。
PWM是什么?
脈沖調制英文表示是Pulse Width Modulation,簡稱PWM。PWM是調節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時間)/ 脈沖的一個周期(On-time + Off-time)
Tsw(一周期)可以是開關 周期,也可以是Fsw=1/Tsw的開關頻率。
圖1 Pulse Width Modulation (PWM)
在運用PWM的驅動電路中,可以通過增減占空比,控制脈沖一個周期的平均值。運用該原理,如果能控制電路上的開關設計(半導體 管、MOSFET、IGBT等)的打開時間(關閉時間),就能夠調節LED電流的效率。這就是接下來要介紹的PWM控制。
PWM信號的應用
PWM控制電路的一個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。在這個電路中,將24V的輸入電壓轉換成12V,需要增加負載。負載就是單純的阻抗。電壓轉換電路的方法有很多,運用PWM信號的效果如何呢?
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作為開關設計使用。當PWM信號的轉換頻率數為20kHz時,轉換周期為50μs。PWM信號為High的時候,開關為On,電流從輸入端流經負載。當PWM信號處于Low狀態時,開關Off,沒有輸入和輸出,電流也斷掉。
這里嘗試將PWM信號的占空比固定在50%,施加在開關中。
開關開著的時候電流和電壓施加到負載上。開關關著的時候因為沒有電流,所以負載的供給電壓為零。如圖4綠色的波形、V(OUT)可在負載中看到輸出電壓。
圖3 運用PWM信號的降壓電路
圖4 解析結果 占空比：50%
輸入電壓是直流,通過脈沖信號得到輸出電壓在負載的前端(開關的后端)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,直流電壓可以供給負載。
但如果不是12V,而是想得到6V的輸出電壓時,應該怎么做?PWM控制的優點實際就在此。只需改變脈沖幅度就可以了。實際上,只需設定占空比為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果。
圖5 運用PWM信號的降壓電路
圖6 解析結果 占空比約25%
以上結果標明,降壓電路中,輸入輸出電壓的關系可以表示為：
輸出電壓=PWM信號的占空比×輸入電壓
也就是說只要改變PWM信號的占空比,就可以得到任意的輸出電壓。接下來介紹在實際產品設計中運用降壓轉換器電路驅動LED的方法。
PWM驅動電路例子
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(負載)的前端插入的線圈和電容構成平滑電路,通過轉換使得脈沖輸出平均化。線圈前端的二極管即使在開關關著的時候也能持續向線圈供給電流。降壓轉換器通常作為電壓轉換電路使用,但是在驅動LED時,則需要控制電流而不是電壓。
圖7 PWM驅動電路降壓轉換的例子
認圖7的電路構成。當脈沖信號處于On的狀態,也就是開關設計處于On的狀態時,電流按照輸入信號-開關-線圈-負載的順序流動。當開關設計處于Off的狀態時,電流按照二極管-線圈-負載的順序流動。因此要控制線圈中的電流實際上等同于控制LED中的電流。
在正極和負極間施加3.0V的電壓的話,可以從數據庫中看到,LXM3-PW71的電流約350mA。輸入電壓為12V時,設定脈沖波的占空比為25%(12V×0.25=3V),就能得到3V的電壓。當轉換頻率數為100kHz時,轉換周期為10μs,脈沖幅度為2.5μs。但是,負載只在順阻抗的情況下成立,實際在負載中運用LED時,根據電流大小負載特性也有變化,電流約為350mA時,脈沖幅度調制約為3.36μs。驗證電路的結果如圖8所示。
圖8 PWM驅動電路的驗證結果
LED中的電流發生變化,線圈中的電流也變化。通過傳感電路檢測線圈電流的變化,只要控制開關的打開時間,就能夠使得LED負載中的電流恒定。增加PWM的占空比,就能增加LED中的電流,也能增加亮度。比較阻抗驅動型電路和恒定電流源型驅動電路,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。
這次介紹的降壓轉換器運用于LED驅動 中需要電壓比輸入電壓低的情況。根據照明燈具、用途不同,有時需要同時驅動多個LED,這樣會出現所有的LED驅動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換器。
在LED照明中,有效利用電力的同時還需要小型化。照明燈具中,將輸入電壓轉為LED驅動電壓的時候,會出現轉換損耗,轉換損耗越大越容易引起熱的問題。同時,如果開關頻率數增加,變壓器和線圈會變小,雖然整個線路板能夠實現小型化,但由于高開關頻率數會導致轉換損耗,出現高次諧波問題。因此,在LED的PWM驅動電路中,力爭實現高效和少零部件。
為了保持照明燈具的亮度穩定或者調節亮度,需要在傳感器 中檢測負載電流、進行控制演算、調整脈沖的占空比的反饋控制電路。本文沒有對反饋控制電路進行介紹,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。各種控制方式有優點也有缺點,需要我們根據照明燈具的作法和適用的電路方式選擇最佳的控制方式。