一種驅動LED陣列照明的恒壓恒流模型及其仿真

摘要：針對LED芯片正向電壓差異導致的LED陣列照明燈具串電流不均等、發光不平衡等問題，構建了一種恒壓恒流驅動模型，擬用數字控制芯片實現該模型，并用Matlab對其數字實現邏輯進行了仿真。該模型采用相移脈寬調制技術確保每串LED電流均等，降低了總線電流的脈沖幅度，減少了系統電磁干擾，提高了轉換效率，并能很方便地進行線性調光。
關鍵詞：LED照明驅動；相移脈寬調制；數字控制；Matlab

0 引言
由于LED具備環保、長壽命和很高的發光效率等優點，使它作為下一代理想光源的地位已被各國相繼確認。但LED最終取代傳統光源，還有許多技術瓶頸，其中LED驅動技術是有待突破的關鍵瓶頸之一。
目前常用單顆大功率LED芯片的功率為1 W左右，要構建成更大功率的LED燈具，必須多顆LED芯片進行組合。LED發光的光通量與正向電流近似成線性關系，其光通量和色溫都被流經它的電流所控制。確保每個LED發光芯片有相同的亮度的一個有效的方法是采用多個LED連成一串。然而，這樣的一個主要問題是它們累積的電壓降限制了串聯的數量，限制了燈具功率擴大。另一方面，由于，LED的V／I特性的指數關系和LED正向壓降的負溫度特性，多個LED并聯將遇到各LED串的均流問題。
影響光通量和色溫的另外一個因素是溫度。在使用中，LED燈一旦被點亮，系統溫度會升高，隨之LED的正向電流會增大，電流的增大會使溫度更高。如果繼續這個循環，LED燈具最終會被燒毀。因此，LED燈串的電流控制和溫度控制在LED照明系統中顯得非常重要。

1 LED封裝芯片的正向電壓差異
由于LED封裝技術的復雜性，使LED芯片的最佳工作正向電壓(Vf)存在較大的差異。表1列舉了三家不同廠商產品的Vf值范圍，從表中可以看出，LED芯片的Vf值最大偏差可以達到40％，平均偏差也在20％左右。LED的正向電流與正向電壓成指數正變化關系，Vf的微小差異將造成LED正向電流的很大差異，從而影響LED正常照明。表中數據顯示如此大的誤差，故在照明驅動中不得不認真考慮這個問題。與驅動技術的發展相比，LED芯片制造和封裝上的改進往往更艱難。因此控制流經LED芯片的電流顯得更有意義。

2 大功率LED陣列燈具的驅動模型
有幾種方法驅動多個LED串并聯陣列，一個直接的方法直接用總線供電模式對多串LED芯片供電，參考文獻，這樣的模式沒有解決LED串電流的均等問題，對LED燈具的壽命和發光效果造成不利影響。圖1顯示的模型在調控總線電壓的基礎上，在每個LED串上連接一個電流調節器。通常，電流調節器可以是線性模式或開關模式。圖1采用開關模式，LED串總線電壓由前極開關變換模塊提供，每個LED串連接一個開關管，使LED串的電流受相移脈寬調制(Phase Shift Pulse Width Modulation，PS-PWM)，其作用是：通過相位控制，確保各串電流脈沖無多串同時躍變；通過反饋控制，調整開關脈沖占空比，確保各串LED電流均等。一種PS-PWM調制電路的實現可參照。在圖1所示模型中，采用數字
控制芯片實現PS-PWM將更好。

對LED串電流的取樣可用圖2所示的電路實現。取樣輸出值與串電流的比例關系如圖中等式所示。