LED照明用恒流電源的實現方案

一、方案比較與選擇

　　1 電路拓撲結構方案

　　方案一：采用反激式拓撲結構的功率因數校正電路，優點是將功率因數校正與電源變換器合二為一，可以大大減少電路的損耗，提高電路的整體效率，缺點是應用在反激式電路的有源功率因數校正控制芯片種類較少，且電路比較復雜，很難設計與單片機合適的接口電路，不容易使用單片機進行控制。

　　方案二：將功率因數校正電路與主控電路分開，采用Boost 型的功率因數校正電路后接電源變換器的方案，優點是電路結構簡單，并不涉及單片機對功率因數校正電路的控制，只需使功率因數校正部分輸出一個穩定的電壓即可，缺點是會一定程度上降低設計的整體效率。

　　鑒于本題要求步進調壓的功能，需要單片機對PWM控制芯片有一個良好而穩定的控制，故選擇方案二。

　　2 電源變換器方案

　　方案一：采用半橋變換電路，優點是高頻變壓器利用率高，傳輸功率大，電路效率很高，缺點是電路較復雜，且有直通危險。

　　方案二：采用單端反激變換電路，優點是電路結構簡單，缺點是高頻變壓器利用率低，需要留有氣隙，電路效率不高。

　　鑒于本題要求最大負載只有10 個1W 的led，傳輸功率較小，故采用方案二，即反激式電路拓撲結構。

　　3 閉環反饋控制方案

　　方案一：采用軟件閉環反饋控制，即使用單片機進行各參數的采樣，然后直接由單片機對PWM控制芯片進行控制，調節占空比。優點是電路結構簡單，缺點是反饋回路會受到采樣精度、采樣速度、單片機運算速度等因素的影響，使反饋系統變得不穩定。

　　方案二：采用硬件閉環反饋控制，即使用硬件電路構建反饋電路，由PWM控制芯片自身根據反饋信號調節占空比，而單片機對PWM控制芯片只是進行輔助調整。優點是反饋速度快，調節精度高，缺點是易受外部干擾。

　　4 有源功率因數校正方案

　　方案一：采用UC3854作為有源功率因數校正電路的主控芯片。優點是功率因數校正系數可達99.5%，缺點是外圍電路非常復雜且調試困難，方案二：采用MC33260作為有源功率有源功率因數校正電路的主控芯片。優點是外圍電路簡單，缺點是功率因數校正率與UC3854相比略低。

　　220VAC經工頻變壓器降壓為36VAC，經開機沖擊電流抑制電路輸入到功率因數校正電路中，再經高頻隔離變壓器給串聯在一起的LED燈供電，在LED燈處分別進行電壓、電流采樣，返回給PWM控制芯片和單片機，由單片機給定基準電壓來控制PWM控制芯片，進而達到控制LED燈恒流可調的目的。

　　系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

　　二、電路與程序設計

　　1 電源變換器主回路與器件選擇

　　PWM 控制芯片采用SG3525。SG3525 的主要特點是：輸出級采用推挽輸出，雙通道輸出，占空比0 - 50%可調。每一通道的驅動電流最大值可達200mA,灌拉電流峰值可達500mA。

　　SG3525 的1、2 引腳分別為內部誤差放大器的反相輸入端和同相輸入端，反相輸入端接收反饋的電壓信號，同相輸入端為給定的電壓基準，一般接在16 引腳電壓基準的分壓上，由于題目要求恒流輸出時電流步進可調，故同相輸入端接單片機DAC 模塊產生的參考電壓。

　　負載的電流采樣由串聯在LED 負載與地之間的采樣電阻完成，經一級跟隨、一級同相放大之后分別給單片機和PWM控制芯片；電壓采樣由負載和電流采樣電阻上的電壓分壓完成，經一級跟隨分別給單片機和PWM 控制芯片。為完成恒壓與恒流模式的切換，分別在電壓采樣回路與電流采樣回路與PWM 控制芯片間各加入一個N 溝道MOSFET 作為電子開關，完成切換。為保證反饋的穩定性在MOSFET 后再加一級跟隨后將反饋信號傳遞給PWM 控制芯片。

圖2 PWM 控制模塊

2 控制電路與控制程序設計

　　由于本設計的控制部分并不需要很大的計算量，對計算速度的要求也不是很高，但需要ADC 與DAC 模塊進行電壓與電流的采樣和對PWM 控制芯片的控制，因此選用C8051F020單片機作為核心處理芯片，它擁有高速8051 微控制器內核，8 個12 位ADC和2 個12 位DAC，完全可以滿足設計的需求。

　　由于本LED 恒流電源工作時絕大部分時間處于穩定狀態，且對反應速度沒有過快要求，因此并不需要對電壓、電流信號進行同時的采樣，而可以分別采樣，模式切換和基準電壓的調整也不需在中斷服務中完成，只有步進調整電流的按鍵程序需要在中斷服務中完成。

　　3 保護電路設計

　　過壓保護電路并不是單獨設計的，而是整合在電流控制電路中，由恒流控制回路與恒壓控制回路的切換完成，當單片機檢測到負載上的電壓高于36V 時，單片機控制將恒流控制回路切換為恒壓控制回路，將負載的電壓控制在略高于36V，當再次檢測到負載電流降低到設定的電流以下時，重新將恒壓模式切換為恒流模式，達到過壓保護的目的。

圖3 控制程序流程圖

4 功率因數校正電路設計

　　選用小功率功率因數校正芯片MC33260，它工作在電流臨界模式。MC33260應用簡單可靠。通過電流檢測和電壓反饋，通過PI調節來保持電壓恒定。通過對開關管的PWM控制來得到所需要電壓。可實現0.998的功率因數校正和輸出穩定直流電壓的功能。

圖4 功率因數校正模塊

　　5 自動調光電路設計，開機沖擊電路與EMI抑制電路設計

　　自動調壓電路采用光敏電阻作為感光元件，利用比較強將光的強弱轉換為高低電平信號，使用單片機內置的ADC將這個電壓信號采回單片機，當光照強度較高時，單片機控制切換為恒流模式，設置的負載電流值為100mA，使LED的亮度隨光照強度的增大而減少。

　　開機沖擊電路采用熱敏電阻串聯在電源輸入端，溫度較低時電阻很大，隨著電阻發熱溫度升高，電阻逐漸變小，達到抑制開關沖擊電流過大的目的。

　　EMI抑制電路是利用電感和電容的特性，使平率為50Hz左右的交流電可以順利通過濾波器，但高于50Hz以上的高頻干擾雜波被濾波器濾除，這就使開關電源產生的高頻諧波被濾掉而不會污染電網。

圖5 開機沖擊電流和EMI抑制模塊

　　三、理論分析與計算

　　1 恒流控制方法和參數計算

　　將一個電阻值較小的采樣電阻串聯在LED負載與低之間，設流過LED的電流為I，則采樣電阻兩端的電壓：