一种高功率因数带冷暖色温切换的LED驱动芯片

赵兴农， 冷亚辉， 何乐年

(浙江大学 超大规模集成电路设计研究所，浙江 杭州 310027)

0 引 言

与传统的白炽灯和日光灯照明技术相比，发光二极管(light-emitting diode,LED)照明系统效率更高、寿命更长、更加安全环保，因此,近年来LED照明技术逐渐取代传统照明方式，广泛应用于各种显示、装饰、背光源和普通照明等领域[1]。LED照明系统要求具有较高的功率因数，以符合相关的工业和民用标准[2]。

选择合适的照明色温可对人体昼夜节律、体温调节产生积极影响[3]，甚至可以在治疗失眠、提高工作效率等方面发挥作用[4,5]。另一方面，对于色温的感知存在一定个体差异[6]，因此，由用户根据主观喜好手动调节色温的控制方式可以作为色温切换的实现方法。

利用传统的开关变换器，诸如反激变换器或者buck变换器，也可以达到较高的功率因数[7～9]。但反激变换器需要变压器隔离输入级和输出级，buck变换器需要电感器存储能量，这些磁性元件都会增大电路面积和提升系统成本。应用非隔离的电路拓扑，能够在简化片外元件的同时达到较高的功率因数[10]，但此类常规变换器均无色温切换功能。

本文提出并设计了一种LED驱动芯片，无需使用变压器和片外电感器，由此减少系统面积、降低系统成本；无需电解电容器，由此增加系统可靠性、延长系统寿命。该芯片使照明系统达到较高的功率因数(97.80 %)和效率(90.22 %)，且仅通过墙壁开关可以稳定地实现色温切换。通过仿真验证，设计的LED驱动芯片符合设计目标。

1 驱动芯片设计

1.1 高功率因数驱动电路原理

本文提出的LED驱动芯片系统框图如图1所示。为实现色温切换功能，片外设置冷色和暖色2种LED灯串，每种灯串包含几十颗LED单元，(图中简化成4个)。VL为母线电压，Vg为直流电压(5.8 V),Vrn(n=1,2,3,4)为参考电压。恒流控制模块使流经LED灯串的总电流跟随输入电压分段变化，以保证较高的功率因数。色温切换模块根据供电电压Vg的变化感知片外墙壁开关动作，生成控制冷暖色灯串切换的信号Vc和Vw，分别控制对应色温LED的导通和关断。片外电容器CCT为环形计数器提供供电电压，从而在墙壁开关短时间断开时保存色温状态。片外电阻器RS是恒流控制模块的采样电阻器；R1和R2为功率补偿模块的峰值采样电阻器，片外电容器CPDC用于存储相应的母线电压峰值采样结果。

图1 驱动芯片系统框图

1)恒流控制原理。取恒流控制模块中的通道1，以及对应的片外冷色LED灯串Dc1，将电路简化成图2。由运算放大器、低压MOS管和采样电阻器RS组成恒流控制电路。根据反馈电路的数字关系，可得反馈电阻器上电压Vfb与运放电压参考值Vr1的关系为

(1)

图2 Dc1灯串的驱动原理

2)功率因数控制。芯片中设置了4路恒流通道，其参考值Vr1，Vr2，Vr3，Vr4依次递增，且需要根据输入电压控制导通LED的数量和总输入电流。

图3描述了线电压VL和输出电流Iout的理论波形，波形的纵坐标定义

(2)

式中Vi为输出总电流在不同值之间切换时所对应的临界输入母线电压,VF为单颗LED的正向导通电压,Ni为第i串LED灯串含有的LED单元数量,VS为高压和低压MOS管能够输出恒定电流的最小源漏电压。

图3 输入母线电压和输出总电流波形

以仅有冷色灯串发光情况为例。通过分段导通LED灯串的方式，使得输入电流随着输入电压的大小分段调节，输入电流的相位自动跟随输入电压变化，从而获得较高的功率因数。

当输入线电压VL

当V1-VS

当V1

当V2-VS

当V2

当V3-VS

当VL>V4-VS时，最后一串LED开始被点亮，此时仅有通道4导通，电流保持在I4。

随后线电压下降，如图3的右半部分波形所示，输出电流分阶段减小到0A，以此类推，此后的每个周期芯片按相同工作模式工作。

1.2 冷暖色温切换电路原理

芯片同时控制暖色、冷色两种LED灯串。两种LED灯串并联后经过整流桥与用户手动控制的墙壁开关相连接。通过控制墙壁开关的通断达到切换色温的目的。

第一次接通墙壁开关，芯片上电，整个系统复位到初始状态，只有冷色LED灯串发光；手动关闭墙壁开关并在3 s时间内重新打开，系统切换成暖色LED灯串发光；再次手动关闭墙壁开关并在3 s时间内打开，则系统切换到冷暖色LED灯串同时发光(总光照强度与单串LED发光时相同)；再一次墙壁开关动作，再次回归只有冷色LED灯串发光的状态，以此循环重复。

色温切换模块的简化电路如图4所示，模拟电路部分如图4(a) 所示，主要包含两组上电复位电路(POR)以及片外电容器CCT；数字部分如图4(b) 所示，主要包含环形计数器和一系列辅助电路。色温切换模块的输入为预稳压模块提供的电压Vg，芯片上电时，Vg会通过二极管为片外电容器CCT充电，充电后片外电容上的电压VCT给环形计数器和其他逻辑门电路供电。当墙壁开关断开时，芯片输入电压归零，会导致Vg迅速下降到0 V；另一方面，由于片外电容器CCT的作用，电压VCT下降相对缓慢，所以环形计数器的供电在短时间内(设计断电时间上限为3 s)不会中断，仍可正常工作；墙壁开关再次闭合，Vg上升，POR模块会产生1次时钟翻转信号，环形计数器计数加1，进入下一色温状态。

图4 色温切换模块简化电路

色温切换模块的输出为Vc和Vw，Vc为控制冷色灯串的逻辑信号，Vw为控制暖色灯串的逻辑信号。当Vc为高电平时，所有通道中的冷光LED恒流输出端口导通，当Vw为高电平时，所有通道中的暖光LED恒流输出端口导通。图5为芯片上电和连续几次色温切换时色温切换模块的输入输出波形。上电之后，色温切换模块通过信号Vg感知开关动作，每次Vg重新上电，都会产生相应的时钟信号，使环形计数器进入了下一状态。环形计数器共有3个状态：

S1：信号Vc高电位、信号Vw低电位，此时只有冷色LED发光；

S2：信号Vc低电位、信号Vw高电位，此时只有暖色LED发光；

S3：信号Vc高电位、信号Vw高电位，此时冷暖色LED同时发光。

图5 色温切换模块输入输出波形

2 仿真与结果分析

2.1 功率因数仿真结果与分析

在系统中，选择反馈采样电阻值为15 Ω，4部分灯串的LED数目分别为48,30,10,9个。图6为输入电压和输出电流的仿真波形，上方波形为输入母线电压VL，即有效值为220 V、频率为50 Hz的正弦交流电压经过整流桥后的波形，下方波形为输出总电流Iout。

图6 功率因数仿真结果

由图6可得，输出总电流由4个阶梯组成，与设计原理符合。可以得到系统功率因数达到97.80 %，表1为本文仿真数据与已有研究结果比较。

表1 仿真数据比较

2.2 冷暖光切换仿真结果与分析

图7所示为冷暖光切换的仿真波形。上方波形反映了墙壁开关动作。在一个周期之初，冷色灯串中通过电流，暖色灯串中无电流通过，即只有冷色灯串发光。经过一次开关动作，暖色灯串中有电流通过，而冷色灯串中无电流通过，即暖色灯串发光。再一次开关动作，仿真结果显示冷色灯串和暖色灯串中均有电流流过，即冷暖色灯串同时发光，且两列灯串中通过的电流强度之和与单色灯串发光时的电流强度相等。经过再一次开关动作，进入下一周期。与设计方案比对，仿真结果符合预期。

图7 色温切换仿真结果

3 结 论

本文提出的LED驱动芯片，无需搭配片外磁性元件或电解电容器，从而提升系统的耐用性、降低系统成本。控制芯片使用1 μm，700 V CMOS工艺设计。仿真结果显示设计的LED驱动芯片的功率因数达到了97.80 %，效率达到90.22 %，且能够通过墙壁开关控制冷暖色光的切换。