趙興農(nóng)， 冷亞輝， 何樂(lè)年

(浙江大學(xué) 超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)研究所，浙江 杭州 310027)

0 引 言

與傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈照明技術(shù)相比，發(fā)光二極管(light-emitting diode,LED)照明系統(tǒng)效率更高、壽命更長(zhǎng)、更加安全環(huán)保，因此,近年來(lái)LED照明技術(shù)逐漸取代傳統(tǒng)照明方式，廣泛應(yīng)用于各種顯示、裝飾、背光源和普通照明等領(lǐng)域[1]。LED照明系統(tǒng)要求具有較高的功率因數(shù)，以符合相關(guān)的工業(yè)和民用標(biāo)準(zhǔn)[2]。

選擇合適的照明色溫可對(duì)人體晝夜節(jié)律、體溫調(diào)節(jié)產(chǎn)生積極影響[3]，甚至可以在治療失眠、提高工作效率等方面發(fā)揮作用[4,5]。另一方面，對(duì)于色溫的感知存在一定個(gè)體差異[6]，因此，由用戶根據(jù)主觀喜好手動(dòng)調(diào)節(jié)色溫的控制方式可以作為色溫切換的實(shí)現(xiàn)方法。

利用傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)變換器，諸如反激變換器或者buck變換器，也可以達(dá)到較高的功率因數(shù)[7～9]。但反激變換器需要變壓器隔離輸入級(jí)和輸出級(jí)，buck變換器需要電感器存儲(chǔ)能量，這些磁性元件都會(huì)增大電路面積和提升系統(tǒng)成本。應(yīng)用非隔離的電路拓?fù)洌軌蛟诤?jiǎn)化片外元件的同時(shí)達(dá)到較高的功率因數(shù)[10]，但此類常規(guī)變換器均無(wú)色溫切換功能。

本文提出并設(shè)計(jì)了一種LED驅(qū)動(dòng)芯片，無(wú)需使用變壓器和片外電感器，由此減少系統(tǒng)面積、降低系統(tǒng)成本；無(wú)需電解電容器，由此增加系統(tǒng)可靠性、延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命。該芯片使照明系統(tǒng)達(dá)到較高的功率因數(shù)(97.80 %)和效率(90.22 %)，且僅通過(guò)墻壁開(kāi)關(guān)可以穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)色溫切換。通過(guò)仿真驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)芯片符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)

1.1 高功率因數(shù)驅(qū)動(dòng)電路原理

本文提出的LED驅(qū)動(dòng)芯片系統(tǒng)框圖如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)色溫切換功能，片外設(shè)置冷色和暖色2種LED燈串，每種燈串包含幾十顆LED單元，(圖中簡(jiǎn)化成4個(gè))。VL為母線電壓，Vg為直流電壓(5.8 V),Vrn(n=1,2,3,4)為參考電壓。恒流控制模塊使流經(jīng)LED燈串的總電流跟隨輸入電壓分段變化，以保證較高的功率因數(shù)。色溫切換模塊根據(jù)供電電壓Vg的變化感知片外墻壁開(kāi)關(guān)動(dòng)作，生成控制冷暖色燈串切換的信號(hào)Vc和Vw，分別控制對(duì)應(yīng)色溫LED的導(dǎo)通和關(guān)斷。片外電容器CCT為環(huán)形計(jì)數(shù)器提供供電電壓，從而在墻壁開(kāi)關(guān)短時(shí)間斷開(kāi)時(shí)保存色溫狀態(tài)。片外電阻器RS是恒流控制模塊的采樣電阻器；R1和R2為功率補(bǔ)償模塊的峰值采樣電阻器，片外電容器CPDC用于存儲(chǔ)相應(yīng)的母線電壓峰值采樣結(jié)果。

圖1 驅(qū)動(dòng)芯片系統(tǒng)框圖

1)恒流控制原理。取恒流控制模塊中的通道1，以及對(duì)應(yīng)的片外冷色LED燈串Dc1，將電路簡(jiǎn)化成圖2。由運(yùn)算放大器、低壓MOS管和采樣電阻器RS組成恒流控制電路。根據(jù)反饋電路的數(shù)字關(guān)系，可得反饋電阻器上電壓Vfb與運(yùn)放電壓參考值Vr1的關(guān)系為

(1)

圖2 Dc1燈串的驅(qū)動(dòng)原理

2)功率因數(shù)控制。芯片中設(shè)置了4路恒流通道，其參考值Vr1，Vr2，Vr3，Vr4依次遞增，且需要根據(jù)輸入電壓控制導(dǎo)通LED的數(shù)量和總輸入電流。

圖3描述了線電壓VL和輸出電流Iout的理論波形，波形的縱坐標(biāo)定義

(2)

式中Vi為輸出總電流在不同值之間切換時(shí)所對(duì)應(yīng)的臨界輸入母線電壓,VF為單顆LED的正向?qū)妷?Ni為第i串LED燈串含有的LED單元數(shù)量,VS為高壓和低壓MOS管能夠輸出恒定電流的最小源漏電壓。

圖3 輸入母線電壓和輸出總電流波形

以僅有冷色燈串發(fā)光情況為例。通過(guò)分段導(dǎo)通LED燈串的方式，使得輸入電流隨著輸入電壓的大小分段調(diào)節(jié)，輸入電流的相位自動(dòng)跟隨輸入電壓變化，從而獲得較高的功率因數(shù)。

當(dāng)輸入線電壓VL

當(dāng)V1-VS

當(dāng)V1

當(dāng)V2-VS

當(dāng)V2

當(dāng)V3-VS

當(dāng)VL>V4-VS時(shí)，最后一串LED開(kāi)始被點(diǎn)亮，此時(shí)僅有通道4導(dǎo)通，電流保持在I4。

隨后線電壓下降，如圖3的右半部分波形所示，輸出電流分階段減小到0A，以此類推，此后的每個(gè)周期芯片按相同工作模式工作。

1.2 冷暖色溫切換電路原理

芯片同時(shí)控制暖色、冷色兩種LED燈串。兩種LED燈串并聯(lián)后經(jīng)過(guò)整流橋與用戶手動(dòng)控制的墻壁開(kāi)關(guān)相連接。通過(guò)控制墻壁開(kāi)關(guān)的通斷達(dá)到切換色溫的目的。

第一次接通墻壁開(kāi)關(guān)，芯片上電，整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位到初始狀態(tài)，只有冷色LED燈串發(fā)光；手動(dòng)關(guān)閉墻壁開(kāi)關(guān)并在3 s時(shí)間內(nèi)重新打開(kāi)，系統(tǒng)切換成暖色LED燈串發(fā)光；再次手動(dòng)關(guān)閉墻壁開(kāi)關(guān)并在3 s時(shí)間內(nèi)打開(kāi)，則系統(tǒng)切換到冷暖色LED燈串同時(shí)發(fā)光(總光照強(qiáng)度與單串LED發(fā)光時(shí)相同)；再一次墻壁開(kāi)關(guān)動(dòng)作，再次回歸只有冷色LED燈串發(fā)光的狀態(tài)，以此循環(huán)重復(fù)。

色溫切換模塊的簡(jiǎn)化電路如圖4所示，模擬電路部分如圖4(a) 所示，主要包含兩組上電復(fù)位電路(POR)以及片外電容器CCT；數(shù)字部分如圖4(b) 所示，主要包含環(huán)形計(jì)數(shù)器和一系列輔助電路。色溫切換模塊的輸入為預(yù)穩(wěn)壓模塊提供的電壓Vg，芯片上電時(shí)，Vg會(huì)通過(guò)二極管為片外電容器CCT充電，充電后片外電容上的電壓VCT給環(huán)形計(jì)數(shù)器和其他邏輯門(mén)電路供電。當(dāng)墻壁開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，芯片輸入電壓歸零，會(huì)導(dǎo)致Vg迅速下降到0 V；另一方面，由于片外電容器CCT的作用，電壓VCT下降相對(duì)緩慢，所以環(huán)形計(jì)數(shù)器的供電在短時(shí)間內(nèi)(設(shè)計(jì)斷電時(shí)間上限為3 s)不會(huì)中斷，仍可正常工作；墻壁開(kāi)關(guān)再次閉合，Vg上升，POR模塊會(huì)產(chǎn)生1次時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)信號(hào)，環(huán)形計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)加1，進(jìn)入下一色溫狀態(tài)。

圖4 色溫切換模塊簡(jiǎn)化電路

色溫切換模塊的輸出為Vc和Vw，Vc為控制冷色燈串的邏輯信號(hào)，Vw為控制暖色燈串的邏輯信號(hào)。當(dāng)Vc為高電平時(shí)，所有通道中的冷光LED恒流輸出端口導(dǎo)通，當(dāng)Vw為高電平時(shí)，所有通道中的暖光LED恒流輸出端口導(dǎo)通。圖5為芯片上電和連續(xù)幾次色溫切換時(shí)色溫切換模塊的輸入輸出波形。上電之后，色溫切換模塊通過(guò)信號(hào)Vg感知開(kāi)關(guān)動(dòng)作，每次Vg重新上電，都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)，使環(huán)形計(jì)數(shù)器進(jìn)入了下一狀態(tài)。環(huán)形計(jì)數(shù)器共有3個(gè)狀態(tài)：

S1：信號(hào)Vc高電位、信號(hào)Vw低電位，此時(shí)只有冷色LED發(fā)光；

S2：信號(hào)Vc低電位、信號(hào)Vw高電位，此時(shí)只有暖色LED發(fā)光；

S3：信號(hào)Vc高電位、信號(hào)Vw高電位，此時(shí)冷暖色LED同時(shí)發(fā)光。

圖5 色溫切換模塊輸入輸出波形

2 仿真與結(jié)果分析

2.1 功率因數(shù)仿真結(jié)果與分析

在系統(tǒng)中，選擇反饋采樣電阻值為15 Ω，4部分燈串的LED數(shù)目分別為48,30,10,9個(gè)。圖6為輸入電壓和輸出電流的仿真波形，上方波形為輸入母線電壓VL，即有效值為220 V、頻率為50 Hz的正弦交流電壓經(jīng)過(guò)整流橋后的波形，下方波形為輸出總電流Iout。

圖6 功率因數(shù)仿真結(jié)果

由圖6可得，輸出總電流由4個(gè)階梯組成，與設(shè)計(jì)原理符合?？梢缘玫较到y(tǒng)功率因數(shù)達(dá)到97.80 %，表1為本文仿真數(shù)據(jù)與已有研究結(jié)果比較。

表1 仿真數(shù)據(jù)比較

2.2 冷暖光切換仿真結(jié)果與分析

圖7所示為冷暖光切換的仿真波形。上方波形反映了墻壁開(kāi)關(guān)動(dòng)作。在一個(gè)周期之初，冷色燈串中通過(guò)電流，暖色燈串中無(wú)電流通過(guò)，即只有冷色燈串發(fā)光。經(jīng)過(guò)一次開(kāi)關(guān)動(dòng)作，暖色燈串中有電流通過(guò)，而冷色燈串中無(wú)電流通過(guò)，即暖色燈串發(fā)光。再一次開(kāi)關(guān)動(dòng)作，仿真結(jié)果顯示冷色燈串和暖色燈串中均有電流流過(guò)，即冷暖色燈串同時(shí)發(fā)光，且兩列燈串中通過(guò)的電流強(qiáng)度之和與單色燈串發(fā)光時(shí)的電流強(qiáng)度相等。經(jīng)過(guò)再一次開(kāi)關(guān)動(dòng)作，進(jìn)入下一周期。與設(shè)計(jì)方案比對(duì)，仿真結(jié)果符合預(yù)期。

圖7 色溫切換仿真結(jié)果

3 結(jié) 論

本文提出的LED驅(qū)動(dòng)芯片，無(wú)需搭配片外磁性元件或電解電容器，從而提升系統(tǒng)的耐用性、降低系統(tǒng)成本?？刂菩酒褂? μm，700 V CMOS工藝設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果顯示設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)芯片的功率因數(shù)達(dá)到了97.80 %，效率達(dá)到90.22 %，且能夠通過(guò)墻壁開(kāi)關(guān)控制冷暖色光的切換。