大熱的LED驅動設計，簡化系統，輕松實現

三、系統設計

1、電壓環路的設計

從圖一我們可以看見，從輸出采樣的ADC產生了一個通過電壓環路補償器的電壓誤差信號ev[n],電壓補償器同時產生一個控制信號u[n],它和輸入端采樣進行的半周期的電壓正弦信號Vg（t）進行相乘，為電流環路的補償產生一個參考電流。

電壓控制環路應用簡單，響應速度很快，它由一個基于PI的一個補償器和一個Windowed ADC組成。其輸入輸出特性見圖2，e[n]圍繞著Vref電壓波動，當輸出電壓小于設定的電壓時，e[n]為正，通過電壓補償器，乘法器等調節輸出占空比。同樣當輸出電壓大于設定電壓時，可以通過調節占空比將輸出電壓降低，達到了穩定輸出電壓及電流的功能。同時為了得到更好的動態響應，△VQ|e=0比其他的值大，為輸出確定一個可以接受的輸出紋波，當振蕩超出其范圍的時候，e[n]就會其作用穩定輸出電壓。

圖2 Delay-line based windowed ADC

圖3為ADC的結構框圖，它由兩個延遲線，一個快速存儲器和一個誤差解碼器組成。傳輸延遲單元由D觸發器組成，延遲時間的大小由其供電電壓決定。第一個延遲線有N+1個單元，其傳輸時間由Vref決定。另一個有N+M個單元，它的延遲時間和輸出PFC電壓成反比。以此來實現穩定輸出電壓和電流的功能。

圖3 Windowed ADC

2、電流環路的設計

此電路環路主要是實現PFC的功能，同時對輸出電壓和電流的穩定進行調節。輸入電壓被采樣以后和輸出電壓的反饋信號u[n]進行相乘，生成信號被傳送到另外一個Windowed ADC中作為基準，同時這個Windowed ADC用來采樣輸入電流的大小，采樣進來的值和基準進行比較，然后生成ei[n]信號進入電流環路補償器，來產生一個d[n]到DPWM（digital-pulse width modulator），然后控制輸出的MOSFET管，形成一個回路來使電流跟隨電壓波形和對輸出電壓和電流起穩定作用。

3、系統設計

整個系統中，我們從對交流電整流后，在switching converter這個模塊里面，我們采用反激式的開關電源拓撲模式，可以使輸出達到想要的電壓或者電流值，低電壓的輸出對LED的可靠工作是一個很好的保證。反激式電路拓撲由于具有使用元件少、本身固有的效率比較高的特點，在功率比較低的場合很受歡迎。然后由FPGA進行控制MOSFET的占空比，配合變壓器進行PFC同時得到一個恒流輸出以驅動大功率白光LED。為達到較高的安全性，交流輸入和直流輸出采用光偶進行隔離。

4、變壓器設計

磁性元件的設計對性能非常關鍵。首先根據相應的場合和工作頻率選擇磁芯材料，我們選擇鐵氧體作為磁芯材料，因為鐵氧體的磁感應強度比較大，較小的磁芯就可以提供較大的功率，同時也要滿足國際電工委員會（IEC）制定的標準。

然后是確定磁芯的尺寸，以滿足電源能提供的輸出功率要求，同時確定磁芯是否加氣隙，然后計算每個繞組所要的扎數。確定輸出電壓的精度是否滿足要求，繞組是否適合所選擇的磁芯尺寸。然后繞制變壓器，在實驗階段，需要驗證工作時的電壓尖峰、交叉調整量、輸出精度和紋波、RFI等，如果需要的話需要反復修改，最終要和FPGA控制部分相結合，達到設計的要求。

5、電源管理

對FPGA的供電，我們采用從變壓器輔助繞組引入電流對芯片進行供電，而不需要額外的電源。簡化了系統結構，降低了成本。

四、總結

本文提出了基于FPGA的LED驅動設計方案，達到較高的效率和功率因數，十分適合用作路燈、景觀以及家庭和工業照明。在固態照明呼聲越來越高的今天具有廣闊的前景。此方案作為固態照明的實現方案，可以直接應用到各種場合，且可以作為進一步開發數字控制LED驅動芯片的實驗和驗證。

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