一种驱动LED阵列照明的恒压恒流模型及其仿真

摘要：针对LED芯片正向电压差异导致的LED阵列照明灯具串电流不均等、发光不平衡等问题，构建了一种恒压恒流驱动模型，拟用数字控制芯片实现该模型，并用Matlab对其数字实现逻辑进行了仿真。该模型采用相移脉宽调制技术确保每串LED电流均等，降低了总线电流的脉冲幅度，减少了系统电磁干扰，提高了转换效率，并能很方便地进行线性调光。
关键词：LED照明驱动；相移脉宽调制；数字控制；Matlab

0 引言
    由于LED具备环保、长寿命和很高的发光效率等优点，使它作为下一代理想光源的地位已被各国相继确认。但LED最终取代传统光源，还有许多技术瓶颈，其中LED驱动技术是有待突破的关键瓶颈之一。
    目前常用单颗大功率LED芯片的功率为1 W左右，要构建成更大功率的LED灯具，必须多颗LED芯片进行组合。LED发光的光通量与正向电流近似成线性关系，其光通量和色温都被流经它的电流所控制。确保每个LED发光芯片有相同的亮度的一个有效的方法是采用多个LED连成一串。然而，这样的一个主要问题是它们累积的电压降限制了串联的数量，限制了灯具功率扩大。另一方面，由于，LED的V／I特性的指数关系和LED正向压降的负温度特性，多个LED并联将遇到各LED串的均流问题。
    影响光通量和色温的另外一个因素是温度。在使用中，LED灯一旦被点亮，系统温度会升高，随之LED的正向电流会增大，电流的增大会使温度更高。如果继续这个循环，LED灯具最终会被烧毁。因此，LED灯串的电流控制和温度控制在LED照明系统中显得非常重要。

1 LED封装芯片的正向电压差异
    由于LED封装技术的复杂性，使LED芯片的最佳工作正向电压(Vf)存在较大的差异。表1列举了三家不同厂商产品的Vf值范围，从表中可以看出，LED芯片的Vf值最大偏差可以达到40％，平均偏差也在20％左右。LED的正向电流与正向电压成指数正变化关系，Vf的微小差异将造成LED正向电流的很大差异，从而影响LED正常照明。表中数据显示如此大的误差，故在照明驱动中不得不认真考虑这个问题。与驱动技术的发展相比，LED芯片制造和封装上的改进往往更艰难。因此控制流经LED芯片的电流显得更有意义。

2 大功率LED阵列灯具的驱动模型
    有几种方法驱动多个LED串并联阵列，一个直接的方法直接用总线供电模式对多串LED芯片供电，参考文献，这样的模式没有解决LED串电流的均等问题，对LED灯具的寿命和发光效果造成不利影响。图1显示的模型在调控总线电压的基础上，在每个LED串上连接一个电流调节器。通常，电流调节器可以是线性模式或开关模式。图1采用开关模式，LED串总线电压由前极开关变换模块提供，每个LED串连接一个开关管，使LED串的电流受相移脉宽调制(Phase Shift Pulse Width Modulation，PS-PWM)，其作用是：通过相位控制，确保各串电流脉冲无多串同时跃变；通过反馈控制，调整开关脉冲占空比，确保各串LED电流均等。一种PS-PWM调制电路的实现可参照。在图1所示模型中，采用数字
控制芯片实现PS-PWM将更好。

    对LED串电流的取样可用图2所示的电路实现。取样输出值与串电流的比例关系如图中等式所示。

3 大功率LED阵列恒压恒流驱动模型的数字实现
    数字控制芯片的工作性能在快速提高的同时，其成本也下降迅速。如Mieroehip公司的dsPIC33FJXXGSDSC系列芯片，TI公司TMS320F280xx系列芯片，其工作频率都在几十MHz，对100KHz级的开关频率，可以实现在单开关周期内完成一次控制循环。在成本上，如TI公司的TMS320F2 802-7DAT官网报价(2010年9月)为2．85美元，它集成了一个7通道12位ADC、8路PWM输出模块、一个模拟比较器，还有各种常用的通信接口。一块芯片就可以实现驱动控制的大部分功能，在成本上有较大的优势。

    图3是对图1 LED阵列驱动结构的数字控制实现逻辑图。其相位设定模块、保护模块与ADC模块可以通过数字芯片的简单设置来完成；PID控制、恒压限流和PWM占空比调节模块通过软件编程实现。通过通信接口接收调光等命令，可以很方便的对LED照明进行亮度调节。由于控制结构是通过软件实现的，给LED驱动的工作状态检测和其他功能扩展带来了很大的灵活性。

4 数字控制逻辑的Matlab仿真
    如图4所示，为数字控制逻辑的仿真模型图。其中：RL=105 Ω，RL1=100 Ω，RL2=95 Ω。

    根据LED的V／I特性，当LED工作在Vf附近时，LED串可近似用纯电阻代替。不同的电阻值表征各LED串总Vf的不同。
4．1 PID控制和PWM相移
    LED串电流的PID控制主要包括：
    (1)对输出误差信号进行PID运算，确保系统的稳定性；
    (2)对输出误差调整值进行归一化运算；
    (3)归一化后的调整值与幅值为1的锯齿波比较，调节占空比输出PWM脉冲；
    (4)控制输出脉冲相位。其中恒压限流PID控制完成DC—DC输出电压和电流的双环控制。
    驱动相邻两串LED的PWM波形相差360°／N，N为LED串的并联总数。如图4为仿真模型中，N=3，则驱动第1到第3串的PWM波形初始相位分别为0°，120°，240°。
4．2 仿真结果
    如图5所示，各串电流得到了较好控制，输出电流脉冲的占空比大小从第1串到第3串依次减小，但其峰值依次增大，确保各串均值电流一致。

    DC—DC模块电压和LED串电流的PID调节输出如图6所示，其过冲分别为2．4％和2．1％，效果较好。

    图7显示了无PS-PWM控制(虚线所示)和有PS-PWM控制的总线电流(实线所示)比较。从图7中可以看出，无PS-PWM控制的总线电流脉冲跳跃幅度是有PS-PWM控制的3倍。即N串LED并联时，通过PS-PWM调制可以使总线电流脉冲跳跃幅度减小到原来的1／N。

    系统效率如图8所示，Iset为PID模块的输入比较值，通过修改它，等效于对LED串调光，在大部分调光范围内，其效率大于91％。

5 结语
    由仿真结果可以看出，通过PS-PWM调制，总线电流跳跃幅度与没有PS-PWM控制时相比，降低了2／3，减小了系统的EMI。通过对每串LED电流进行PWM占空比调节，较好的克服了由于LED芯片Vf的差异带来的问题，同时维持了较高的效率。通过对电流参考值的调节可以很方便地对灯具进行调光。数字控制芯片可以使该模型在高性能和低成本上得到较好的实现。