楊子騰　劉琨　楊昆

摘? 要：針對(duì)室內(nèi)照明需要改造控制線路才能實(shí)現(xiàn)調(diào)光的問題，文章設(shè)計(jì)了一款基于PWM調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)器。通過在驅(qū)動(dòng)器中加入控制芯片，該驅(qū)動(dòng)器能夠檢測(cè)電源開關(guān)的關(guān)斷數(shù)進(jìn)行調(diào)光，因此僅需利用原電源開關(guān)即可進(jìn)行調(diào)光控制。最后進(jìn)行了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，證明了設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)從5%～100%六檔的亮度調(diào)節(jié)，調(diào)光穩(wěn)定，無噪聲和閃爍，功率因數(shù)均在0.55以上。因此，該驅(qū)動(dòng)器具有電路簡(jiǎn)單、調(diào)光穩(wěn)定、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：PWM調(diào)光;LED驅(qū)動(dòng)器;恒流驅(qū)動(dòng);占空比

中圖分類號(hào)：TN312+.8;TM923.34? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）02-0032-05

Abstract：For the indoor lighting needs to modify the control circuit to achieve the problem of dimming，this topic designed a LED driver based on PWM dimming. By adding a control chip to the driver，the driver can detect the number of turn-offs of the power switch for dimming，so the dimming control can be performed only by using the original power switch. Finally，the corresponding experiments were carried out，and the data was analyzed. It was proved that the designed LED driver can achieve brightness adjustment from 5% to 100% in six gears，stable dimming，no noise and flicker，and the power factor is above 0.55. Therefore，the driver has the advantages of simple circuit，stable dimming，high power factor，and the like，and has certain practical value.

Keywords：PWM dimming;LED driver;constant current driver;duty circle

0? 引? 言

LED（發(fā)光二極管，Light Emitting Diode）憑借其高效率、小體積、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)逐漸取代白熾燈占據(jù)主流市場(chǎng)[1]，同時(shí)LED具有的高可控性也使其能夠進(jìn)一步發(fā)揮節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。隨著人們對(duì)照明需求的提高，具有調(diào)光功能的LED產(chǎn)品將更加適應(yīng)市場(chǎng)[2]。

溫度是影響LED壽命的主要因素之一，調(diào)光可以有效降低LED光源使用時(shí)的溫度，維持光通量以及延長(zhǎng)使用壽命。LED驅(qū)動(dòng)器作為L(zhǎng)ED燈具必要的組成部分，可以轉(zhuǎn)換交流電為穩(wěn)定的低壓恒流電供LED工作，優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)器直接決定LED的照明質(zhì)量，同時(shí)可以完成包括調(diào)光等一系列功能實(shí)現(xiàn)。常見的調(diào)光方式有三種：模擬調(diào)光，可控硅（TRIAC）調(diào)光和PWM（脈沖寬度調(diào)制，Pulse width modulation）調(diào)光[3]。模擬調(diào)光通過控制輸出電流的大小來改變燈光亮度，簡(jiǎn)單易操作但是會(huì)發(fā)生色溫偏移[4，5]?？煽毓枵{(diào)光是通過斬切正弦波改變效率進(jìn)行調(diào)光，由于早期應(yīng)用，較多所以可以延用原有控制線路來節(jié)省成本[6，7]。楊巍巍等人[8]設(shè)計(jì)了一款原邊控制的LED驅(qū)動(dòng)器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，其功率因數(shù)高于0.9，效率在0.8以上。郭振玄等人[9]設(shè)計(jì)了相角檢測(cè)電路以解決可控硅調(diào)光過程中出現(xiàn)的燈光閃爍、調(diào)光范圍小的問題，同時(shí)將可控硅切相角度轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)，從而解決色譜偏移的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)電源與可控硅調(diào)控兼容良好，占空比可以做到在0.17～1.00范圍內(nèi)。Moon等人[10]提出了一種調(diào)光反饋控制方法，與可控硅調(diào)光具有高兼容性，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)良。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明調(diào)光器在改變角度時(shí)，控制方法很好地控制了電流輸出并保持電流穩(wěn)定，其中在171°相位角時(shí)，達(dá)到最大效率，為83.7%，之后效率隨角度減少而減少。這些方法都有效地解決了可控硅兼容問題，但是并不能改善整體電路的功率因數(shù)[11]。

PWM調(diào)光是通過調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)的占空比來改變輸出的平均電流以達(dá)到調(diào)光目的，其優(yōu)點(diǎn)是具有較廣泛的調(diào)光范圍并且不會(huì)出現(xiàn)色溫偏離的現(xiàn)象。周錦榮等人[12]基于PWM與ZigBee（紫蜂協(xié)議）建立了冷暖白光LED雙通道智能混光系統(tǒng)，最終得到目標(biāo)色的色溫相對(duì)誤差在8.5以下，光通量相對(duì)誤差在17%以下。Cheng等人[13]提出一種路燈驅(qū)動(dòng)器，將AC-DC（交流-直流）變換器與耦合電感器和半橋型LLC DC-DC諧振轉(zhuǎn)換器集成到單級(jí)電路拓?fù)渲?，保證了驅(qū)動(dòng)器的輸出穩(wěn)定并且效率高效，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)100%到20%亮度調(diào)節(jié)。

目前大部分研究多是通過硬件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)功能，這樣不僅會(huì)增加硬件成本，還會(huì)增加改進(jìn)電路功能的難度。本文提出了一種基于PWM調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器中內(nèi)置有程序控制的單片機(jī)，可以讀取輸入電流的開斷情況從而控制調(diào)光，因此驅(qū)動(dòng)器可以在使用少量外圍元器件的情況下實(shí)現(xiàn)使用普通家用開關(guān)控制調(diào)光，這樣不僅可以節(jié)省電路設(shè)計(jì)的成本，同時(shí)可以減少改造控制線路的時(shí)間與成本。

1? LED驅(qū)動(dòng)器原理及硬件電路設(shè)計(jì)

1.1? LED驅(qū)動(dòng)器原理

LED是直流單向?qū)ㄆ骷?，因此不能直接使?20V交流市電來供電，需要在中間加入轉(zhuǎn)換電路將交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電，這個(gè)轉(zhuǎn)換電路也就是LED驅(qū)動(dòng)器。LED驅(qū)動(dòng)器分恒壓驅(qū)動(dòng)和恒流驅(qū)動(dòng)，由于LED對(duì)電流的變化較為敏感，因此市面上多使用恒流驅(qū)動(dòng)。

在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器時(shí)通常需要考慮光通量、顯色度、光效等性能指標(biāo)。光通量指LED燈單位時(shí)間內(nèi)散發(fā)的能夠引起人眼視覺的總光功率，單位是流明（Lm）。光效常指單位功率下釋放的光通量指數(shù)，高光效意味著提供相同的通量而功耗更少。顯色度則是指光源對(duì)物體的顯色能力[14]。常見的模擬調(diào)光會(huì)造成色溫偏移，這樣不僅會(huì)降低顯色度，還會(huì)降低人們的照明舒適度。PWM調(diào)光通過不斷高頻切換通電與斷電的狀態(tài)，改變通斷電流的比例來控制調(diào)光，這種方式能夠有效避免色溫偏移的現(xiàn)象。因此在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器時(shí)不僅要考慮功耗問題，還需要考慮調(diào)光對(duì)于LED燈的影響。

1.2? 驅(qū)動(dòng)器的硬件電路設(shè)計(jì)

LED驅(qū)動(dòng)器由全橋?yàn)V波變換器、LED恒流驅(qū)動(dòng)和信號(hào)采集處理模塊組成，其硬件電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

驅(qū)動(dòng)器可以只使用普通的電源開關(guān)就能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)光功能，省去了改造控制線路的成本與時(shí)間。家庭照明系統(tǒng)多直接使用電網(wǎng)進(jìn)行供電，市電經(jīng)由電源開關(guān)S1流入LED驅(qū)動(dòng)器。全橋?yàn)V波變換器負(fù)責(zé)整流濾波，將高壓交流電轉(zhuǎn)化成低壓直流電輸送給LED恒流驅(qū)動(dòng)模塊和信號(hào)采集處理模塊。

LED恒流驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)化成不隨電壓變化的恒流電輸出給LED光源模塊。由于LED的電氣特性，使得LED對(duì)直流變化十分敏感，一旦輸入的電流發(fā)生劇烈變化，照明也會(huì)出現(xiàn)肉眼可見的閃爍現(xiàn)象，嚴(yán)重影響照明質(zhì)量，因此穩(wěn)定的直流輸入對(duì)LED驅(qū)動(dòng)模塊而言及其重要。該模塊的主控芯片為深圳穩(wěn)先微電子生產(chǎn)的WS9442P LED高精度LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片只需要少量的外圍器件就可以實(shí)現(xiàn)恒流輸出，能夠保證輸出電流穩(wěn)定不抖動(dòng)。并且該芯片外置有PWM調(diào)光引腳，可以由此來調(diào)節(jié)占空比大小，改變LED亮度。全橋?yàn)V波模變換器和LED恒流驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成LED驅(qū)動(dòng)器的主要部分，在不加入信號(hào)采集處理模塊時(shí)，僅靠這兩部分便可以實(shí)現(xiàn)LED的正常供電。

信號(hào)采集處理模塊負(fù)責(zé)判斷調(diào)光模式，同時(shí)將調(diào)光信號(hào)輸送給LED恒流驅(qū)動(dòng)模塊使其改變輸出的電流大小。該模塊主要由微處理器構(gòu)成，一端與全橋?yàn)V波變換器相連，不僅用來為該模塊供電，同時(shí)根據(jù)電流輸入的關(guān)斷來檢測(cè)電源開關(guān)S1的關(guān)斷。根據(jù)S1的關(guān)斷次數(shù)進(jìn)行調(diào)光和定光，這樣無需額外安裝控制電路就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)光。另外一端連接恒流芯片WS9442P的調(diào)光端DIM腳，模塊內(nèi)部判斷完畢后輸送調(diào)光信號(hào)至LED恒流驅(qū)動(dòng)模塊，從而改變PWM占空比，達(dá)到調(diào)光的目的。

2? LED驅(qū)動(dòng)器的軟件設(shè)計(jì)

軟件主要是記錄電源開關(guān)的關(guān)斷次數(shù)來控制PWM的占空比，程序框圖如圖2所示，其流程主要為：

（1）第一次打開開關(guān)的時(shí)候，LED正常點(diǎn)亮，其亮度為100%輸出下的最大亮度。

（2）在第一次關(guān)斷開關(guān)后，LED燈熄滅，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部由電容為單片機(jī)短暫供電，當(dāng)關(guān)斷時(shí)間超過電容放電時(shí)間后，功能重置。

（3）在電容放電時(shí)間內(nèi)打開開關(guān)，單片機(jī)檢測(cè)到一次開關(guān)斷開又閉合，此時(shí)進(jìn)入調(diào)光模式，不斷改變占空比使LED循環(huán)變光，直到開關(guān)再一次斷開。

（4）開關(guān)再一次關(guān)斷又閉合后，單片機(jī)將占空比確定為關(guān)斷前最后一次調(diào)光結(jié)果，LED亮度定為關(guān)斷前最后一次調(diào)光的亮度，完成調(diào)光操作。

利用程序?qū)⒄{(diào)光分為六個(gè)檔位，其中以一檔為最大電流輸出時(shí)的檔位（100.0%占空比），二檔為50.0%占空比時(shí)對(duì)應(yīng)的電流輸出，三檔為25.0%占空比時(shí)對(duì)應(yīng)的電流輸出，四擋為12.5%，五檔為7.5%，六檔為5.0%，調(diào)光時(shí)每檔切換時(shí)間大致為1秒。

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1? 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)選取飛利浦照明公司市面上銷售較多的12 W、6.5 W、5 W和3.5 W日光色和暖白色等八種球泡燈各五個(gè)。用本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器替換原燈泡的驅(qū)動(dòng)裝置。實(shí)驗(yàn)使用大恒光電的光電色熱測(cè)試系統(tǒng)來測(cè)量光通量，使用華知科電子的參數(shù)測(cè)量?jī)x來測(cè)量消耗功率，將儀器定標(biāo)后把光源固定在積分球上關(guān)緊并打開開關(guān)將其點(diǎn)亮，每?jī)煞昼娪涗浺淮喂馔亢拖墓β?，持續(xù)18分鐘。

3.2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1? 調(diào)光結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過程中，使用開關(guān)操作調(diào)光，無需使用調(diào)光器。調(diào)光過程穩(wěn)定，在第一次打開后再次斷開又閉合，LED開始循環(huán)調(diào)光，調(diào)光過程穩(wěn)定，亮度變化明顯，每次開斷和持續(xù)點(diǎn)亮過程中沒有出現(xiàn)閃爍和噪聲。調(diào)光可以實(shí)現(xiàn)較大范圍的亮度變化，并且六檔的功率因數(shù)在0.55～0.60之間。

3.2.2? 光通量及功率變化分析

表1是驅(qū)動(dòng)各種瓦數(shù)的燈對(duì)應(yīng)的六檔的點(diǎn)亮18分鐘后的平均光通量，其中一檔表示最大電流輸出，六檔表示最低電流輸出。表2是驅(qū)動(dòng)各種瓦數(shù)的燈對(duì)應(yīng)的六檔的點(diǎn)亮18分鐘后的平均消耗功率。從各檔的光通量可以看出來，驅(qū)動(dòng)器成功實(shí)現(xiàn)了使用普通開關(guān)進(jìn)行調(diào)光。每一個(gè)檔位之間光通量變化明顯，從表2的功率變化也可以看出，六個(gè)檔位的輸出也基本上與設(shè)定的占空比對(duì)應(yīng)。

對(duì)比日光燈和暖白光燈的亮度會(huì)發(fā)現(xiàn)，相同檔位輸出時(shí)在消耗功率相近的情況下暖白光的光通量要小于日光，其原因在于暖白光LED燈表面的熒光粉多于日光LED燈，在相同輸出下更多的熒光粉會(huì)造成更多的損耗[15]，因此會(huì)有光通量的減少。

圖3和圖4為12 W燈的光通量隨時(shí)間的變化。其余瓦數(shù)的LED變化與這兩種燈大體一致。

結(jié)合各檔位的方差數(shù)可知，各瓦數(shù)的燈都在一檔時(shí)有較大波動(dòng)，也就是在最大電流輸出時(shí)，光通量有較大的衰降。

圖5和圖6對(duì)比了各瓦數(shù)的燈一檔時(shí)的光通量變化，可以看出在一檔時(shí)各種瓦數(shù)的燈在前10分鐘里面都有較大幅度的衰降，一直到10分鐘左右光通量才趨于穩(wěn)定。從對(duì)應(yīng)的消耗功率可看出來，這是由于較高的功率輸出導(dǎo)致LED產(chǎn)生較大的結(jié)溫，從而影響到光電轉(zhuǎn)換導(dǎo)致光衰嚴(yán)重。這種情況可以從另外幾個(gè)檔數(shù)燈的光衰情況看出來。由表2可以看出來，六檔的消耗功率也基本不隨著時(shí)間的變化而改變，LED燈本身內(nèi)部的變化并不影響驅(qū)動(dòng)板的功率消耗。

除去一檔的光通量以外，二檔及以后幾檔的亮度變化不大，其中二檔的光通量有些許波動(dòng)但是并不影響太多，后幾檔的光通量幾乎是穩(wěn)定的。

3.2.3? 各檔位的光效變化

圖7和圖8是各瓦數(shù)的燈在各個(gè)檔位的光通量和功率的比值，即光效。由圖可以看出，三檔的光效平均最高，六檔的光效最低。

在三檔時(shí)，光效最高為120 Lm/W，而最小也能達(dá)到80 Lm/W，相對(duì)于最高亮度時(shí)有較大提升，可見調(diào)光LED在很多場(chǎng)景可以有效提高光效轉(zhuǎn)換，節(jié)省能源消耗。

4? 結(jié)? 論

本文提出了一種基于PWM調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器額外加入了采取電源開斷信號(hào)的信號(hào)處理采集模塊，主要由單片機(jī)構(gòu)成依靠?jī)?nèi)置程序判斷需要進(jìn)入的調(diào)光模式。憑借此模塊，驅(qū)動(dòng)器可以直接使用普通家用的電源開關(guān)實(shí)現(xiàn)調(diào)光，這樣可以有效節(jié)省成本。同時(shí)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電路成本低廉，能夠?qū)崿F(xiàn)5%～100%的亮度調(diào)節(jié)，其功率因數(shù)在0.55以上，調(diào)光穩(wěn)定，同時(shí)無閃爍和噪音。

參考文獻(xiàn)：

[1] UweKopp.高亮度LED調(diào)光技術(shù) [J].國(guó)外電子元器件，2008（2）：64-67.

[2] 陳希，陸繼誠(chéng)，張曄明，等.智慧照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)探討 [J].照明工程學(xué)報(bào)，2017，28（6）：115-118.

[3] 許金生，宋曉慶，夏升虎.LED光源調(diào)光技術(shù)綜述 [C]//海峽兩岸第二十一屆照明科技與營(yíng)銷研討會(huì).海峽兩岸第二十一屆照明科技與營(yíng)銷研討會(huì)專題報(bào)告暨論文集.中國(guó)湖北武漢：出版社不詳，2014：160-167.

[4] 路秋生.LED照明與應(yīng)用 [J].燈與照明，2009，33（4）：24-28.

[5] 居大鵬.LED驅(qū)動(dòng)器的調(diào)光技術(shù) [J].電子產(chǎn)品世界，2010，17（11）：34-36.

[6] 翟辯.可控硅調(diào)光技術(shù)發(fā)展受限的原因分析 [N].消費(fèi)日?qǐng)?bào)，2016-06-23（第03版）.

[7] 路秋生.LED相控調(diào)光的實(shí)現(xiàn)與有關(guān)問題 [C]//第七屆中國(guó)高校電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)術(shù)年會(huì).第七屆中國(guó)高校電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.中國(guó)上海：出版社不詳，2013：509-514.

[8] 楊巍巍，史永勝，劉丹妮.原邊控制帶TRIAC調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì) [J].電子器件，2014，37（1）：46-49.

[9] 郭振玄，林國(guó)慶.一種適用于TRIAC調(diào)光器的LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì) [J].中國(guó)照明電器，2017（4）：34-37+40.

[10] MOON S C，KOO G B，MOON G W. Dimming-Feedback Control Method for TRIAC Dimmable LED Drivers [J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2015，62（2）：960-965.

[11] 路秋生.LED調(diào)光的可控硅與有關(guān)問題 [J].電源技術(shù)應(yīng)用，2011，14（7）：23-28.

[12] 周錦榮.功率型白光LED的非線性混合調(diào)光方法 [J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2017，38（9）：1249-1255.

[13] CHENG C A，CHUNG T Y. A single-stage LED streetlight driver with PFC and digital PWM dimming capability [J].International Journal of Circuit Theory and Applications，2016，44（11）：1942-1958.

[14] 王樂.關(guān)于LED應(yīng)用于照明的研究和設(shè)計(jì) [D].杭州：浙江大學(xué)，2005.

[15] YING S P，TANG C W，HUANG B J. Charaterizing LEDs for Mixture of Colored LED light sources [C]// Electronic Materials and Packaging，2006.EMAP 2006. International Conference on.IEEE，2007.

作者簡(jiǎn)介：楊子騰（1995.08-），男，漢族，湖北黃岡人，碩士，研究方向：照明及光源系統(tǒng);劉琨（1984.05-），男，漢族，河北保定人，講師，博士研究生，研究方向：LED燈研制開發(fā);楊昆（1976.11-），男，漢族，河北清苑人，教授，博士研究生，研究方向：LED燈研制開發(fā)。