一种高效低纹波调光LED驱动频闪的研究

吴海燕，杨青峰，方洁苗

（浙江榆阳电子有限公司，桐乡 314500）

LED以其光效高、可靠性高、寿命长和绿色无污染的特点成为新一代照明光源，现已得到广泛应用。目前，新调光功能LED驱动要求具有启动速度快、高频率、高PF、定置化设光曲线[1]、开关机无闪烁和无线或WIFI多台控制等特性。根据LED特有的伏安特性，LED驱动大多采用恒流驱动方式，LED的发光强度由其驱动电流决定，只要改变驱动电流就可以改变LED的亮度，实现调光功能。通常LED驱动的调光方式有3种：TRAIC调光、模拟调光和PWM调光，可以满足一般性调光需求[9]。但人们对调光控制方式和精度提出了更高的要求，调光电流的变化曲线各有不同，电流的变化率直接关系到LED灯光通量的变化，通常调光方式的固有缺陷使其无法满足要求。

本研究设计一种高效率、低纹波电流的PWM调光LED驱动电源，解决了采用Boost+Buck PWM调光LED驱动方案应用中的快速起机以及起机关机时序控制等一系列问题。重点解决了Buck型PWM调光方式的一些缺陷，使调光过程中LED灯的亮度变化非常平滑、柔和，提高了调光的精度。

1 常用LED驱动调光方式的实现

1.1 TRAIC调光

LED输出相对光强与正向电流的关系如图1所示。TRAIC调光在传统白炽灯和卤素灯中被普遍采用，其电路及工作波形如图2所示，其工作原理是将输入电压的波形通过导通角切波之后，产生一个切相的输出电压波形[2]。应用切相的原理，可减少输出电压的有效值，以此来降低普通负载（电阻负载）的功率，通常分为前切与后切2种方式。

图1 LED输出相对光强与正向电流的关系Fig.1 Relation between relative luminous intensity of LED output and forward current

图2 TRAIC调光电路及工作输出波形Fig.2 TRAIC dimming circuit and its output waveform

在LED驱动电路中应用TRAIC调光器最大的问题在于调光器的兼容性。针对TRAIC调光器的特点，必须在LED驱动电路中增加有源泄放或无源泄放电路，以提供擎住电流和维持电流；采用兼容TRAIC调光的LED驱动控制芯片，合理调整控制芯片的参数。如果设计不当，由大功率开关器件构成的TRAIC调光器和 LED驱动电路会相互影响，出现可见闪烁[6]。

TRAIC破坏了正弦波形，降低了功率因数，而且加大了谐波系数[5]，很多兼容现有TRAIC调光器的芯片和方案自称有PFC，但并没有包括TRAIC在内的整个系统的功率因数。所有兼容TRAIC的LED调光系统整流效率都很低，其LED驱动控制芯片只能兼容TRAIC调光器的一部分，在调光角度小时易闪烁，完全破坏了LED的高效能。

TRAIC调光虽然有许多缺点，但因其前期已经占据了很大的调光市场，只要换上带兼容TRAIC调光功能的LED灯具即可，不需要改变原照明线路，也不需要重新安装调光器。TRAIC调光是具有半个多世纪的陈旧技术和早期技术，将其应用于LED调光照明是过渡性的，不值得推荐。

1.2 模拟调光

模拟调光是通过改变LED驱动的输出电流来控制LED灯的亮度。通常是通过调整恒流驱动控制芯片调光端口的电压来实现，因为该芯片都提供一个调光电压控制端口，只要改变输入控制电压就可以改变电源的输出恒流值，也就是改变了比较器的基准源。

图3是隔离反激0～10 V调光LED驱动电路，通过改变芯片电流基准端口（IREF）的电压来改变输出电流，优点是简单、方便、实用和动态速度快。但是电路复杂、效率低下，在调光信号低时电路会不稳定。

图3 隔离反激0～10 V调光LED驱动电路Fig.3 Circuit of 0～10 V isolated flyback and dimming LED driver

图4是非隔离Buck降压型线性调光LED驱动电路，在芯片的线性调光输入端口（LD）施加电压或调节外置SW，就可以方便地控制流过LED的电流。此方式控制简单、成本低，非隔离的Buck基本工作在DCM模式，通过监测CS上的Ipk得到平均电流[4]。但基准电压很低时，很难检验到信号，易出错，精准度低。

图4 非隔离Buck降压型线性调光LED驱动电路Fig.4 Circuit of non-isolated Buck step-down,linear,and dimming LED driver

由于模拟调光是直接调整LED的正向电流，改变正向电压值，故调亮度的同时也会改变其光谱和色温，虽然在实际照明中影响不大，但也无法精确调光，不能适应复杂调光曲线的要求。

1.3 PWM调光

PWM调光是基于LED是一个二极管，可以实现快速开关，速度高达微秒以上，是任何发光器件所无法比拟的。因此，只要把电源改成脉冲恒流源，用改变脉冲宽度的方法，就可以改变其亮度。

如图5所示，PWM调光时，PWM信号输入控制芯片的PWMDIM端口，控制芯片通过检测PWM信号占空比变化来调制和改变功率场效应管的栅极信号，控制与LED串联的功率场效应管快速开通与关断，从而达到调节LED电流大小的目的。图6是PWM信号与LED电流波形占空比变化。

图5 PWM信号驱动MOS管开通关断LED电路Fig.5 LED circuit with PWM signals to switch on/off the MOS tube

图6 PWM信号与LED电流波形占空比变化Fig.6 Variations in PWM signals and LED current duty cycle

PWM调光不会产生色谱偏移，调光范围宽，精度高，调制频率高时不会发生闪烁现象，可以和数字控制技术相结合，但要注意合理选择PWM信号频率及消除调光引起的啸叫。PWM调光技术目前被认为是最有前景的LED调光技术。

2 高效率低纹波PWM调光LED驱动设计

2.1 设计指标及方案选择

根据功率因数指标的要求，单极高PF反激拓扑和单极Buck+Boost低纹波控制电路2种方式的调光功能均需由前级电路实现，且输入调光部分没有电解电容，雷击实验或是PWM调光抗干扰较难实现。低纹波控制的MOSFET工作在线性区域，损耗较大，通常会影响2%的效率，需采用更合理、简洁的方案实现调光要求。

2.1.1 主要设计指标

输入 AC 90～267 V，47～63 Hz，PF 大于 0.9； 输出DC 156～174 V，114 mA；效率大于 93%；起机时间 0.5 s；输出纹波电流5%；PWM调光功能实现如图7所示的调光曲线，调光占空比以1%的步进变化，不能闪烁。

图7 其他PWM调光曲线Fig.7 Other PWM dimming curve

2.1.2 方案选择

本设计主电路采用Boost+Buck方案，将输入的宽电压升为固定高压，再经Buck降压，调光功能由Buck和MCU电路实现。

由于两级方案实现快速启动与时序控制相矛盾，所以采用对母线电压实时采样，通过合理的时序控制提高可靠性；Boost将电压升至一定高压后，再让后级Buck工作[7]，如图8所示。

图8 开机PFC电压与LED电流波形时序Fig.8 Time-sequences of PFC voltage and LED current waveform

2.2 电路结构框图及基本工作原理

交流电AC 90～264 V经EMI滤波，经桥式整流为脉动的直流电压；Boost APFC电路对输入电流进行功率因数校正并输出恒定的高压直流电，经Buck降压恒流电路输出恒定电流给LED负载，其输出平均电流与PWM调光信号占空比有关[3]。PWM调光控制电路对PWM调光信号进行调制，使其占空比与LED负载电流变化符合调光变化曲线的要求，同时处理调光过程和开、关机反时序的一系列问题。高压Buck辅助供电电路为各控制电路提供工作电源，其结构框图如图9所示。

图9 电路结构框图Fig.9 Block diagram of circuit structure

2.3 Boost APFC及辅助供电电路

如图10所示，Boost APFC电路控制芯片采用临界电流工作模式的功率因数校正芯片MP44014[8]，其主要功能是：临界模式PFC控制；精确可调输出过电压保护，FB 开路保护；超低（15 μA）启动电流；-750/+800 mA门驱动电流。

该电路具有结构简单、体积小、工作稳定可靠、PF值高和THD值低的特点。桥式整流后的脉动直流电经Boost APFC电路输出恒定直流电压400 V，基本消除了低频纹波[10]，保证后级电路输出的LED电流中的低频纹波电流分量在5%以内，同时输入电路的功率因数达到0.9以上。

高压Buck辅助供电电路控制芯片采用MP 170，其具备的主要功能是：恒压控制，支持Buck，Buck-Boost和Flyback拓扑；内置700 V MOSFET；内部高压电流源；低待机功耗，输出功率可达2 W；输出电流可达200 mA；SOT23-5和SOIC8封装。该电路将高压直流400 V转换为低压直流15 V，为各控制电路快速地提供电源，使LED驱动的起机时间小于0.5 s。

2.4 有PWM调光功能的LED恒流驱动电路

图10 Boost APFC及辅助供电电路Fig.10 Circuit of Boost APFC and auxiliary power supply

LED恒流驱动电路同样采用支持PWM调光的高精度降压型LED恒流驱动芯片MP4700，其具备的主要功能是：工作电压8～18 V，VCC欠压保护；PWM 调光控制，调光频率100 Hz～2 kHz；最高工作频率可达160 kHz；输入母线电压欠压保护；输出短路保护，过热保护；外置功率MOS，门极驱动电流可达1.2 A。

Buck降压恒流电路如图11所示，基本工作原理为：+15 V电压接入VIN脚，经内部的LDO转换为8.5 V的VCC电压，当直流母线电压达到芯片INUV脚的设定电压、MOS管Q8导通时，输入电流经负载LED、电感 L5、MOS管 Q8、检测电阻 R53流入到地，此时电感电流线性上升，储存能量。当检测电阻上的电压达到芯片CS脚的检测电压、MOS管关闭时，电感电流通过二极管D7与电容EC3一起为负载LED供电，此时电感电流从峰值线性下降，电感电流的平均值为输出电流，即ILED=1/2·IL_PEAK。

图11 Buck降压恒流电路Fig.11 Buck constant-current circuit

Buck芯片PWM调光工作原理与前文介绍一致，主电路工作频率100 kHz，PWM信号为1 kHz。当PWM信号为高电压时，主电路工作；当PWM信号为低电平时，主电路关闭。因此PWM 1 kHz信号对芯片DRIVE脚驱动100 kHz信号进行调制，通过调整PWM占空比来改变相同IPK电流下的输出波形个数，也就是改变了平均电流，实现调光原理，其工作波形如图12（a）所示，调光曲线如图12（b）和（c）所示。

经实际实验测试，在芯片PWM脚输入占空比为0～100%调光信号，其工作波形及调光曲线与图12（a）一致。同时，在PWM信号频率较高且占空比低于50%时，明显目测到调光过程中LED灯的亮度出现段调光现象，电流波形呈阶梯状，如图13所示；在PWM信号频率较低且占空比低于50%时，LED负载电流中的纹波电流比频率高时还高出几倍，这些缺点在许多实际应用中是不被接受的。

图12 MP4700调光工作波形及调光曲线Fig.12 Working waveforms and dimming curves of MP4700

图13 高PWM信号频率调光时LED电流波形Fig.13 LED current waveform of higher PWM signals during dimming

出现段调光的原因是由于Buck型PWM调光工作原理为调制型，假设 f=100 kHz、T=10 μs，而PWM 调制信号 f=1 kHz、T=1 ms，D=1%时Ton=10 μs，D=2%时 Ton=20 μs，以此类推，LED 的特性在很微小的电流下也会工作，所以占空比在1%～5%变化时，对应电流的变化量为100%～20%，通过肉眼可以明显看到这个变化量。

另外，这种直接在Buck降压恒流芯片的PWM脚输入调光信号进行调光的方式，只能实现图12（c）所示的跟随式调光曲线。PWM调光器的频率通常是1 kHz，占空比可能是正向变化也可能是负向变化，调光器不是完全到0%或100%，所以无法满足高要求的调光曲线需要。

2.5 改进型隔离型PWM调光曲线的实现与控制

为解决上述问题，设计了如图14所示的PWM调光改善型控制电路，采用单片机将输入信号转成所需的变频信号，再控制Buck电路。该单片机主要功能特点是高性价比、低管脚、小封装、宽工作电压范围、支持低功耗模式、内部复位、内部晶振频率最高25 MHz、内部低温漂系数、1T指令执行速度、高速采样AD、10BIT精度和I/O口多种工作模式可选。单片机电源由辅助电源经LDO输出3.3 V供电。

图14 PWM调光控制电路Fig.14 Circuit of PWM dimming control

PWM调光器的信号经光电耦合器OP1隔离，三极管Q3放大整形，输入单片机的PWM3脚，通过AD转换写入的程序进行控制。当芯片内置程序检测到有调光动作，即PWM信号占空比变化时，输出的PWM信号变频：调光时降低到100 Hz，用于增加在PWM占空比很小时的导通时间，导通时间变长后，可调制的主开关的个数增多，变化率变小；不调光或是休眠状态下升高到2 kHz用于减少低频纹波。根据调光曲线的要求对输入的占空比进行时时侦测和计算，输出合适的占空比信号，输入到Buck降压芯片的PWM脚。同时芯片内部程序对母线电压进行检测，保证开、关机时序正确，防止开、关机时出现LED闪烁。

由于在设计程序时采用了变频技术，所以调光时电流曲线很平滑，目测不到段调光现象；不调光时频率是2 kHz，故只需小容量的电解电容就可以获得理想的LED纹波电流。

实测改进后调光电流波形如图15所示。实测调光频率100 Hz和2 kHz时LED纹波电流如图16所示。

图15 改进后调光电流波形Fig.15 Improved dimming current waveform

图16 100 Hz和2 kHz LED纹波电流Fig.16 LED ripple current of 100 Hz and 2 kHz

电路中采用光电耦合器使调光器的信号与电源隔离，是由于本研究的电源是非隔离电源，而调光器信号是低压信号，PWM信号传输线较长，容易受到干扰；支持单只调光器同时控制几只或几十只LED调光灯具。

2.6 开发产品实际测试结果分析

测试结果：PF为 0.98/100 V AC，0.93/240 V AC；效率为93.2%（230 V AC）；起机时间 0.38 s，输入 230 V；输出纹波电流4.1%。调光曲线如图17所示。根据以上数据得，实际开发产品符合设计要求。

图17 实测调光曲线Fig.17 Measured dimming curve

3 结语

本文将变频技术应用到PWM调光控制方式中，解决了一般Buck降压恒流电路PWM调光的固有缺陷。且根据调光曲线的要求和调光器信号采用不同的控制程序对调光器的PWM信号进行调制，使调光过程中LED灯亮度变化均匀柔和，减小了正常点灯时LED的纹波电流。该技术已被成功应用到实际产品中，并申请了相关专利。

致谢

本文中实验方案的制定和实验数据的测量记录工作是在浙江榆阳电子有限公司研发部全体工作人员的大力支持下完成的，在此表示衷心感谢。