科普文章：HB LED驱动器

摘要

十年来，高亮度LED的能效(流明/瓦)、耐用性、可靠性和成本效益迅速提高，彻底改变了照明行业的格局。在不影响电路驱动性能和保护功能的前提下，开发一种以尽可能低的功耗取得所需光照度的LED驱动器，是今天的照明灯具工程师所面临的挑战。

图1所示的75W全数控HB LED驱动器评估板能够将LED的亮度降至最大亮度的0.5％。这款LED驱动器有两个功率转换级：前级是一个功率因数校正（PFC）转换器，用于提供稳压直流输出，后级是并联在一起的降压转换器和改进的降压转换器，如图2所示。32位微控制器（MCU）通过数字技术控制PFC级和两个DC-DC降压转换器。PFC级和两个DC-DC转换器的数控技术在成本效益和设置灵活性方面有明显优势。板载快速保护电路保证全部基本保护功能具有很高的可靠性。我们使用通用交流电源（85-265V）在整个亮度范围（0.5-100％）对LED驱动器进行了性能评测，实验结果表明，各项功率品质参数均在通用交流电源谐波标准IEC 61000-3-2的可接受范围内。

 引言

本文提出的解决方案采用功率转换数控方法，而非基于模拟IC的标准设计方法。

数控的主要优点是设置灵活，可以在任何给定条件下，实时调整参数和操作点，无需修改任何硬件，而模拟控制只能在特定范围内调整。 两种调光方式（模拟或数字）、调光控制（0-10V，无线通信）、调光分辨率、温度监测、各种保护和通信功能等先进功能可以集成在一颗芯片上，不过，用数字技术实现这些功能比用模拟控制方法更容易， 因此，数控方案的成本效益更高。此外，在噪声条件下，数字控制的稳定性高于模拟控制：数控解决方案不易受到元件容差、温度变化和电压漂移的影响。

图 1: STEVAL-LLL004V1 75W数控照明评估板

系统概述

新开发的LED驱动器由STM32F071CB微控制器和三个不同功率级组成，如图2所示。为实现最佳能效，PFC级和两个DC-DC转换器都是临界导通模式（TM）。第一个降压DC转换器和第二个反向降压转换器都是恒流模式。反向降压拓扑结构内的功率开关接地，而不是标准降压拓扑的连接高边开关。MCU和包括PM8841D、PM8834和L6395D在内的栅极驱动电路用于管理反激拓扑中的辅助开关电源，VIPer013LS（60 kHz高压离线转换器）为MCU和栅极驱动器供电。在100％负载时，LED驱动器系统的总体能效大约91％，这归功于STD11N60M2-EP  N沟道600 V MDmeshTM M2 EP功率MOSFET。

MCU的设置是检测所有电源转换器的电感电流过零检测（ZCD）信号和其它相关信号，从而控制MOSFET栅极驱动信号。 该驱动板配备全面的保护功能，例如，短路保护、开路保护、输入欠压保护和输入过压保护。

图2: LED驱动板框图

为控制LED的亮度，板载一个0-10V输入和多个按钮。借助MCU的先进定时器，LED亮度可调至最大亮度的0.5％。 此外，驱动板还提供模拟调光和数字调光两种方式。

在数字（PWM）调光中，LED电流是频率固定的（通常超过100Hz）通断电流。LED始终在标称电流值时点亮。 LED的平均电流是总标称电流与调光占空比的乘积，可以通过调整占空比来调整亮度。然而，在模拟调光情况下，LED的电流是连续电流，但是，电流值本身会发生变化。 选择正确的调光技术取决于该应用的性能指标。两种调光方法各有利弊，表1列出了其中一些主要利弊。

表1: 数字调光 (PWM)与模拟调光比较

控制算法

我们在STM32系列32位STM32F071CB MCU上验证了LED驱动器的控制算法。MCU控制这三个临界导通模式功率级，在电感电流过零后立即启动MOSFET栅极。PFC级实现了比例积分（PI）控制环路，改善了控制环路的稳定性、线路转换和调光步进特性，并在启动阶段降低了电流电压过冲。 降压和反向降压转换器都是滞后功率转换器。 可用电路板上的模式开关选择调光技术和控制功能。 无论选择哪一种调光技术，亮度都可以降到最大亮度的0.5％。

数字调光是使用MCU的500Hz定时器外设实现的。 按照调光值的大小，调整降压和反向降压转换器的占空比。

模拟调光是使用MCU内部比较器和数模转换器（DAC）外设实现的。按照调光值的大小，借助DAC调整内部比较器正相端的电流阈值（电感峰流）。 在临界模式下控制电感峰值电流，只能将LED的亮度降到某一定程度。为了处理好低亮度，需要强制两个DC-DC转换器进入非连续导通模式，如图3所示。

图 3: 模拟调光:亮度-频率曲线

实验结果

我们计算了STEVAL-LLL004V1在不同负载时的总能效、功率因数和总谐波失真（THD）三个参数。在 230V AC 100％负载时，能效高于91％。 图4、5、6描述了LED驱动器的能效、功率因数和THD失真。

图4: 在不同负载时输入电压 (AC)-能效曲线

图5: 在不同负载时输入电压 (AC)-功率因数曲线

图6: 在不同负载时输入电压 (AC)-总谐波失真曲线

结论

本文讨论的数控LED驱动器可以输出75W的功率，模拟和数字调光方法都能将LED亮度降至最大亮度的0.5％。不论使用那种调光技术，LED无闪烁可保持到0.5％亮度，这使其成为市场上独一无二的LED驱动方案。实验结果表明，在宽输入电压和负载条件下，这款驱动器的能效很高，功率因数接近1，THD％失真度低，这归功于意法半导体电源产品的性能优异以及在32位STM32F0 MCU上实现的控制策略。