【導讀】本文介紹了一種可實現(xiàn)大功率全彩色的LED照明驅(qū)動設計方案，設計中采用MAXl6801/16802為核心的開光電源供電，通過PWM調(diào)節(jié)分別對紅綠藍三基色芯片供電，可實現(xiàn)一定程度上的多色照明，適用于戶外照明和景觀照明。
LED作為一種出現(xiàn)時間最晚的照明技術，其優(yōu)點不僅體現(xiàn)在發(fā)光質(zhì)量方面，在生產(chǎn)、制造、易用性方面都要大大超越白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源。受到熒光燈發(fā)光原理的啟發(fā)，LED生產(chǎn)商通過在高亮度藍光LED管芯上加一層熒光粉，用藍光激發(fā)熒光粉發(fā)出白光。此外，通過采用不同的熒光粉，可發(fā)出色溫為4500～10000K及色溫為2850～3800K的多種白光LED，白光LED的發(fā)光效率大都已超過301m/W，某些產(chǎn)品已超過50lm/W的水平，具備了正式大規(guī)模實用化的基礎。RGB三色LED合成白光綜合性能好，在高顯色指數(shù)下，流明效率有可能高到2001m/w，要解決的主要技術難題是提高綠光LED的電光轉(zhuǎn)換效率，目前其只有13%左右。對于LED激發(fā)熒光粉發(fā)光而言，三基色混光可以避免前者光譜分布不連續(xù)，顯色性不好等缺點，同時三基色混光的人眼舒適度可大大提高，由三基色PWM調(diào)制后可以根據(jù)需要在同一光源實現(xiàn)多色和全彩色照明。
LED照明驅(qū)動設計理念及方案
設計大功率半導體驅(qū)動，首先要從發(fā)光芯片選擇及光源實現(xiàn)；驅(qū)動電路設計，二次光學設計；設備封裝三個方面考慮。
在LED照明中，有單色LED激發(fā)熒光粉發(fā)光的成功設計案例，但考慮到這種方案出光難以實現(xiàn)全光譜、高顯色，在本次設計中采用RGB三基色混光光源，及對紅綠藍三種單色LED芯片單獨驅(qū)動，分別發(fā)光實現(xiàn)光源的完成。為了滿足大功率輸出下的照度穩(wěn)定，要實現(xiàn)對LED溫度衰減的補償，同時也要對啟動時的浪涌脈沖和電流的不穩(wěn)定波動做出補償。在二次光學設計時主要考慮三基色混光，在積分球混光和光纖耦合的對比中選擇光纖耦合，將三色芯片的出光通過光纖耦合混光后輸出。
LED光學特性及電氣特性
對于超高亮LED的特性，當正向電壓超過某個閾值(約2V)，即通常所說的導通電壓之后，可近似認為，IF與VF成正比。當前超高亮LED的最高IF可達1A，而VF通常為2～4V。由于LED的光特性通常都描述為電流的函數(shù)，而不是電壓的函數(shù)，采用恒流源驅(qū)動可以更好地控制亮度。此外，LED的正向壓降變化范圍比較大(最大可達lV以上)，VF的微小變化會引起較大的IF變化，從而引起亮度的較大變化。所以，采用恒壓源驅(qū)動不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此，超高亮LED通常采用恒流源驅(qū)動。LED的光通量與溫度成反比，85℃時的光通量是25℃時的一半，而-40℃時的光輸出是25℃時的1.8倍。溫度的變化對LED的波長也有一定的影響，因此，良好的散熱是LED保持恒定亮度的保證。
混光方案
三基色加性混光是指光的三原色混合可以得到白色光源和灰度光。對于LED，根據(jù)國際照明委員會CIE發(fā)布的色度圖知道，光的色彩與三基色R、G、B的比例有關，并且有r(λ)+g(λ)+b(λ)=1。LED取RGB合成白光這種辦法的主要問題是綠光的轉(zhuǎn)換效率低，現(xiàn)在紅綠藍LED轉(zhuǎn)換效率分別達到30%、10%和25%，由于合成白光所要求的色溫和顯色指數(shù)不同，對合成白光的各色LED流明效率也有不同。當對三個發(fā)光芯片提供不同比例的脈寬電流時，可以輸出不同灰度的照明光源，如果對于混光比例實現(xiàn)多級的灰度計算，即可接近全彩色調(diào)光。為了提高混光效率，常用的方案有積分球混光、混光棒混光。為了減小器件封裝體積，本方案運用光纖耦合混光，即使三芯片發(fā)出的光經(jīng)過凸透鏡注入位于焦點處的光纖，并在光纖中進行混光，混光通過光纖出送至凹透鏡輸出。
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LED驅(qū)動電路設計
整個電路分三部分：a.開關電源，實現(xiàn)市電向低壓恒流LED適應電流的轉(zhuǎn)換；b.PWM調(diào)制電路，實現(xiàn)對LED出光效率的控制；c.控制電路，實現(xiàn)對開關電源和PWM的連接和控制，實現(xiàn)混光后對出光灰度的控制。
1、基于MAXl6801/16802的AC/DC開關電源
高亮度(HB)LED驅(qū)動器控制集成芯片MAXl680l/16802基本滿足了實際LED驅(qū)動器關鍵電路的要求，可用于高亮度照明和顯示應用，可進行85～265V的AC整流電壓輸入，需要精度調(diào)節(jié)LED電流時，可利用片上的誤差放大器以及精度為1%的基準。通過片內(nèi)PWM亮度調(diào)節(jié)也可以實現(xiàn)較寬的亮度調(diào)節(jié)范圍。
MAXl6801/16802內(nèi)部功能如圖1所示。
單個LED芯片的驅(qū)動電路如圖2所示。
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對于電路各個端口之間功能的描述：
UVLO/EN：外部可編程欠電壓鎖定。UVLO設置輸入啟動電壓。將UVLO連接至GND可禁止器件工作。DIM/FB：低頻PWM亮度調(diào)節(jié)輸入/誤差放大反向輸入端。COMP：誤差放大器輸出。在高亮度LED電流調(diào)節(jié)應用中，將補償元件連接在DIM/FB和COMP之間。
CS：電流感應信號連接端，用于電流調(diào)節(jié)。戒指檢流電阻高端。可以甩RC濾波器除去前沿上的毛刺。GND：功率地。NDRV：外部N溝道MO-SET柵極連接端。Vcc：柵極驅(qū)動電源。內(nèi)部由IN降壓得到。Vcc與GND之間接一只10nF以上的去耦電容器。IN：IC電源。IN與GND之間接一只10nFt以上的去耦電容器。自舉工作模式下MAXl6801，可以在輸入電源和IN之間接一個啟動電阻。偏置繞組電源連接至該點。對于MAXl6802，IN直接接+10.8～+24V電源。
2、單一LED芯片的PWM控制電路
由于紅綠藍三種LED的電光轉(zhuǎn)換效率不一致，并且在混光時對于紅綠藍三基色的配比不同，故要對三色芯片單獨調(diào)制。調(diào)制芯片選NCP-1200，該芯片是安森美半導體公司(ONSemiconductor)推出的一款電流型PWM控制器。其應用電路只需要使用很少的外圍元件，使設計更加緊湊。另外，芯片內(nèi)集成輸出短路的保護電路，使成本可進一步降低。模塊中有兩種反饋類型：第一種是輸出電壓反饋，輸出電壓采樣值VSS和單片機提供的設定值進行比較，通過光耦來控制NCPl200芯片陽腳的電壓，調(diào)整DRV腳輸出PWM的脈寬來控制場效應管的導通和關斷時間，從而達到調(diào)整輸出電壓值的目的。另一路反饋是電流限流反饋，當采樣到的輸出電流值ISS超過單片機提供的最大限流值IPWM后，比較器輸出正電壓使得光耦最大導通，將FB腳電壓拉低，使得NCPl200輸出PWM脈寬減小，從而達到限流的目的。當輸出電流小于單片機提供的限流值時，限流反饋不起作用。
單色控制電路框圖如圖3所示。
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3、實時控制三基色電路
在對NCPl200的控制中，使用ATmega8515單片機。ATmega8515的輸入端為用戶設置和溫度反饋及光強反饋，輸出端是對NCPl200中PWM調(diào)制脈寬的控制信息。
在ATmega8515的I/O口可通過鍵盤、撥號開關實現(xiàn)多控制信號設置。也可以依照計算好的三色混光比例與三芯片PWM表將全彩色的各種脈寬配比編程輸入單片實現(xiàn)快速變色。
4、總體框架
為了保證LED由于發(fā)熱引起的光強衰減得到補償，在輸出端加上了溫度反饋及光強反饋，用于修正發(fā)熱引起的光衰減。總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。
結(jié)束語
為了實現(xiàn)大功率全彩色的LED照明，設計了以MAXl6801/16802為核心的開光電源供電，通過PWM調(diào)節(jié)分別對紅綠藍三基色芯片供電的RGB-LED照明驅(qū)動設計方案。此設計考慮了LED芯片在工作中隨溫度上升而產(chǎn)生發(fā)光衰減、輸出波長漂移、流明衰減等實際問題，并作出相應的補償。實現(xiàn)了一定程度上的灰度調(diào)節(jié)。在以ATmega8515單片機為核心的控制系統(tǒng)下，利用溫度傳感器和光電傳感器作為反饋信息源，實現(xiàn)了自適應控制。實驗證明此驅(qū)動電路運行良好，可實現(xiàn)一定程度上的多色照明，運用于戶外照明和景觀照明。
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