大功率LED照明驱动以及智能调光的电路的研究设计

【摘要】LED灯作为高效优质照明光源，能提供更环保、更节能、高效照明品质，发展前景广阔。本文通过分析LED灯结构特点、驱动要求及调光方式，分析了SMD802PWM控制器的驱动电路设计，最后阐述了大功率LED照明智能调光电路。

【关键词】LED照明驱动；智能调光；电路

LED照明使用安全可靠，环保无污染，且维护相当方便，业界专家认为此项技术将成为未来照明的主流。LED属于非线性器件，导通过后只需稍微改变一下电压就能增加很多电流，所以微小的电压反应也会极大的影响LED工作情况，如电流过大极易发热损坏。LED驱动的最佳方式是采用恒流源驱动，这样电流不会受到LED参数离散性、环境温度、电压的影响，确保电流一直处于恒定状态，可以将LED的优良特性一一表现出来。驱动电路具备较高的功率、效率因数，将较小的谐波电流注入电网，可以有效减轻电网供电质量产生的影响，而且体积小、成本低、重量轻。LED照明中不可或缺的一部分就是智能化调光部分，它是LED照明驱动器发展的趋势。

一、LED灯结构特点

LED灯主要由配光系统、散热系统、驱动电源和机械、防护结构几部分组成[1]。配光系统包括发光源（LED灯板）、均光罩（灯壳）；散热系统包括内外散热器、导热板等；驱动电源输入的是市电交流电，包括线性恒流源和高频恒流源；机械、防护结构包括散热器、绝缘套、均光罩等。LED灯壳分为多头组合式、分裂式和整体式等多种形式。

二、LED照明的驱动要求、特性和调光方式

理论上LED的照明光效为300lm/W，不过目前市场化水平仅达到了120lm/W，其导通电压大约为3.0-4.3V，以PN结为核心，当LED上加载的电压比导通电压小时，LED上基本上不会有电流通过，导通LED之后，依据正向电压指数变化规律，正向电流会产生相应的改变，即便是很小的电压也会引发极大电流变化。如导通区电压由80%的额定值变为100%，电流怎会发生相应的变化，从0%的额定值变为100%【2】。LED的相对光通量与正向电流IF之间的关系如图1所示。如图两者之间是正比关系，对LED正向电流实施控制就能够调整发光亮度。当LED以恒压源进行驱动时，小电压也能引发大电流变化，所以仅适用小功率范围，而大功率、高要求状况下均采用恒流驱动。LED的发光亮度会伴随工作时间的长短而改变，工作时间长，亮度减弱，电流增加，光效减少，因此亮度和驱动电流为饱和关系。当电流达到70%-80%之后，会转化成热能，这是最适宜的驱动电流[3]。恒压驱动及PWM调光时电流最大≤3倍最小电流，超过这个范围会降低LED使用寿命。目前市场上LED单个功率多为<10W。另外，将LED电流改变也会将亮度随之改变，因此有两种相应的LED调光方式。其一，对LED中电流大小尽享连续调节，也称模拟调光；其二，将流过LED的电流时间和关断时间比改变，LED中通过的是恒定的电流，将其关断后流经LED的电流为零，称为PWM调光[4]。PWM调光的原理是以人眼无法察觉的频率将LED进行快速开关，开关帧≥100Hz。不管是模拟调光还是PWM调光，只要流经LED平均电流相同，效果没有差别。在某特定大小电流通过LED时，会产生纯白光，电流值偏离后会逐渐发生色偏。需注意的是提供长情况下LED相应时间很短，一般在几纳秒至几十纳秒之间，特别适合应用在开关频繁场合[5]。因此采用PWM调光方式最好，还利于散热。

三、LED照明的驱动电路设计

LED属于非线性器件，导通之后电压细微变化就会增加较大的电流，影响LED器件工作质量，甚至引发发热损坏，采用恒流源驱动是最佳驱动方式[6]。SMD802属于PWM控制器，能够组成固定开关频率的恒流LED驱动电路。IC可直接450V直流电压，电路简单，极少的外围元器件，生产成本较低，可实现>90%的转换率；能满足不同负载要求，对于多个串联大功率IED同样适用；用户可设定开关频率，范围25kHz-300kHz；适用模拟调光和PWM调光，内部设有过载保护、欠压锁存保护，确保工作温度可是控制在40℃-80℃。

1.工作原理

图2表示SMD802内部结构、外围元器件电路。电压输入之后可直接到达VIN端，主要的内部结构组成部分有：7.5V线性稳压器、振荡器、电压比较器（2个）、250mV基准电压、RS触发器、消隐电路等组成；主要的外界元器件为：ROSC（确定振荡器频率）、采样电阻RCS、续流二极管D1、开关管Q1、电感L1、稳压器外接电容CDD等。如VDD电压>VLO，输出为高电平，通过对外部功率峰值电流进行限制实施工作。因外部电流采样电阻串联功率MOSFET源极，所以电压消除电路会将信息反馈至CS脚，一旦CS脚电压比设定的阈值电压大，会自动结束GATE驱动信号，断开功率管。通常内部设定峰值电流阈值电压为250mV，软启动将电容（1个）连接在LD脚上，电压会依据设定的期望速率上升，保证输出电流逐渐上升。

四、LED照明的智能调光应用方式

大功率LED照明适宜采用电流If幅值不变（LED工作电流），仅仅改变If，对电流脉冲单位时间内宽度进行调整实现智能调光，不用改变光谱，不会产生白光偏色。一般采用以下方式[7]：

1.频率调制方式

保持矩形脉冲电流宽度不变，仅仅将单位时间内LED上的矩形脉冲电流个数改变，促使平均电流发生较大范围变化，实现大范围的LED亮度调节。

2.脉宽调制方式

这是一种常见的LED亮度调节方式，把LED上的矩形脉冲电流宽度改变，促使平均电流发生较大范围变化，实现大范围的LED亮度调节。

3.位角调制方式

利用一串二进制序列脉冲，依照位值比例对每一位序列脉冲宽度进行延展，将单位时间内在LED上所占的位值延伸宽度进行改变，促使平均电流发生较大范围变化，实现大范围的LED亮度调节。

图4表示的是应用PWM信号进行LED亮度控制的电路。IC的EN端子可以实现开关变换器开/关运行，在此基础上施加PWM信号，能实现LED以某种速率进行开/关，获得调节LED亮度功能。利用A/D转换器可以将Tr1的输出信号转化成数字信号，计算出LED平均电流ILED（avg）。计算公式为：

五、总结

大功率LED照明驱动及智能调光电路的设计需要注意以下问题：（1）电源的可靠性应高，需具备高功率因数，采用较高电源效率，可减小耗损功率，降低灯具温升；（2）设置浪涌保护电路，由于LED抗浪涌能力较弱，电路设计时应格外注意；（3）电源应具备防水、防潮、符合电磁兼容要求、外壳耐高低温能力强、使用寿命适配LED使用寿命等。希望通过本次研究，实现LED照明的广泛应用，LED产业健康发展奠定基础。

参考文献

[1]杨光.LED灯的结构特点及应用[J].灯与照明， 2012. 36（3）：27-32.

[2]张波，曹丰文，汪义旺.LED路灯驱动级智能调光系统的研究与设计[J].照明工程学报，2011.22（4）：71-75.

[3]覃雪玲，何志毅，何宁.大功率LED效率特性分析与驱动方案设计[J].液晶与显示，2012.27（3）：371-377.

[4]熊春宇，成宝芝.高效连续调光LED照明电路设计[J].大庆师范学院学报，2011.31（6）：10-13.

[5]邱云峰，尹杰，刘桥，王义.大功率LED高频驱动电路设计[J].灯与照明，2010.34（3）：24-27.

[6]骆祖国，陈渊睿.高效LED照明驱动及智能调光电路设计[J].微处理机，2011（2）：84-87.

[7]公文礼.大功率LED灯具电源驱动的分析与研究[J].灯与照明，2009.33（4）：29-32，53.

作者简介：韦子愈（1984—），男，瑶族，广东清远人，2010年毕业于广东工业大学国际经济与贸易专业，电子助理工程师，现供职于顺德职业技术学院，研究方向：大功率电子控制。

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