基于C8051F3xx的全數字PFC可控硅調光驅動高亮LED解決方案

1、 引言

　　歐盟、美國、加拿大及我國***地區等多個國家和地區己經發布了禁用白熾燈的政策和明間表，到2012年幾乎所有發達國家都將禁售白熾燈。?高亮LED作為新型高效固體光源，具有壽命長、能效高、可靠性高、色彩豐富、微型化、體積小、重量輕、電壓低、電流小、亮度高和發光響應速度快等優點，它將逐步替代熒光燈、白熾燈，成為21世紀最具發展前景的節能、環保型照明產品，它將引發第三次照明革命。在詳細分析了市場后，我們世強電訊在此推出基于C8051F3xx全數字PFC可控硅調光驅動高亮LED的解決方案。

2、 高亮LED的基本特性

　　高亮LED的基本特性分別如圖1和圖2所示。從圖1高亮LED電壓-電流曲線圖分析可以得出：高亮LED在電壓小于2.5V的時候是不導通的的；而當電壓大于2.5V時，電流隨電壓的升高呈指數級上升，說明高亮LED是一種電壓敏感型的元器件。從圖2高亮LED電流-亮度曲線圖分析可以得出：電流與亮度的關系基本上是屬于線性關系。因此，要做到無級調光，就必須很好地控制電流的線性度。

圖1 高亮LED電壓-電流曲線圖

圖2 高亮LED電流-亮度曲線圖

　3、 PFC原理與LED驅動技術

3.1 PFC原理

　　PFC表示功率因數校正（Power Factor Correction），它的工作原理如下：主電路的輸出電流（或電壓）和基準電流（或電壓）比較后，輸入給電流（或電壓）誤差放大器CA1，整流電壓檢測值和VA的基本電流（或電壓）信號共同加到乘法器M的輸入端，乘法器M的輸出則作為電流反饋控制的基準信號，與開關電流檢測值比較后，經過電流誤差放大器CA2加到PWM及驅動器，以控制開關的通斷，從而使輸入電流的波形與整流電壓的波形基本一致，使電流諧波大為減少，提高了輸入端功率因數。

　　常用的控制AC-DC開關變換器實現PFC的方法基本上有三種：即電流峰值控制，電流滯環控制，以及平均電流控制。表1為常用的三種PFC控制方法。

表1 常用的三種PFC控制方法

　　由于目前市場上大多數的LED都是需要直流電源進行驅動，因此必須有一個很好的驅動電源，才能發揮出LED的良好的特性。LED驅動方式有恒流式和恒壓式，這兩種方法有其各自的優缺點：（1）、恒流驅動輸出的電流是恒定的，易保證LED亮度的均勻性，但是輸出的直流電壓卻隨著負載大小不同在一定范圍內變化，而恒壓驅動輸出的電流卻隨著負載的增減而變化，其不易保證LED亮度均勻性；（2）、恒流驅動由于其有最大承受電流及電壓值，所以需要限制LED的使用個數，而恒壓驅動時為了使每串穩壓電路驅動LED顯示亮度均勻，需要加上合適的電阻才可以；（3）、恒流不怕負載短路卻嚴禁負載完全開路，而恒壓不怕負載開路卻嚴禁負載完全短路；（4）、恒流驅動LED是很理想的，但是價格比較高。對這兩種方法比較后，在本方案中我們是使用恒流方式驅動LED的。

4、 常用調光方法、可控硅特性及其調光難點

4.1 常用調光方法

　　目前市場上常用的調光方法有：

　　①、脈沖寬度調制PWM調光方法：這種調光控制法是利用調節高頻逆變器中功率開關的脈沖占空比，從而實現燈輸出功率的調節。

　　②、改變半橋逆變器供電電壓調光法；通過改變半橋逆變器的供電電壓，從而改變輸出功率達到調光的效果。

　　③、脈沖調頻調光法：如果高頻交流電子鎮流器的開關工作頻率增加，則鎮流電感的阻抗增加，這樣流過鎮流電感的電流就會下降，導致流過燈負載的電流下降，從而實現調光；

　　④、脈沖調相調光法：利用調節半橋逆變器中兩個功率開關管的導通相位的方法來調節輸出功率，從而達到調光的目的。

　　⑤、可控硅相控調光法：由于可控硅相控（斬波法）調光具有體積小，設備質量輕，價格合理和調光功率控制范圍的優點，所以可控硅相控調光法是目前使用最為廣泛的調光方法。應用可控硅相控工作原理，通過控制可控硅的導通角，將電網輸入的正弦波電壓斬掉一部分，以降低輸出電壓的平均值，達到控制燈電路供電電壓，從而實現調光。可控硅相控調光對照明系統的電壓調節速度快，調光精度高，調光參數可以分時段實時調整，因此在本方案中我們使用可控硅進行調光，可以精確地控制輸出功率。

4.2 可控硅原理及特性

　　可控硅的原理及特性：標準的雙向可控硅既可被柵極的正向電流觸發，也能被柵極的反向電流觸發，它可以在四個象限內導通。當柵極電壓達到門限值ＶＧＴ且柵電流達到門限值ＩＧＴ時，可控硅被觸發導通。當觸發電流的脈寬較窄時，則應提高觸發電平。當負載電流超過可控硅的閂電流ＩＬ時，即使此時的柵電流減為零，可控硅仍能維持導通狀態。在負載電流為零時，最好用反相的直流或單極性脈沖的（柵極）電流觸發。

　　可控硅相控斬波原理如圖3所示：在正弦波交流過零后的某一相位，在可控硅的柵極上加一正觸發脈沖，使可控硅觸發導能，根據可控硅的開關特性，這一導通將維持到正弦波的正半周結束。所以在正弦波的正半周中，范圍內可控硅不導通，這一范圍叫做可控硅的控制角；而在的相位區間可控硅導通，這一范圍為可控硅的導通角，常用表示。同樣，在正弦交流電的負半周，對處于反向聯接的另一只可控硅，在相位角 時施加觸發脈沖，使其導通。如此周而復始，對正弦波的每一半周期控制其導通，獲得相同的導通角。如果改變觸發脈沖的觸發相位，即改變可控硅導通角（或控制角）的大小。

4.3 可控硅調光的難點以及我們的應對策略

　　目前可控硅調光的難點有：例如導通角檢測不準、調光不夠快速以及穩定、低壓無法啟動、功率因數低、功率因數不穩定等問題。

　　我們的應對策略是：采用軟硬件給合的方法進行導通角的檢測，可以精確的檢測導通角，導通角的誤差可以達到0.5%以內；利用快速的PWM更新速度和精度，可以使輸入與輸出很好地對應，達到調光快速性以及精確性即穩定性；穩定可靠的輔助電源設計可以使系統在導通角為最小的時候直接起動；功率因數穩定問題通過優化設計軟件來達到，且功率因數高。

5、 方案實現

5.1 硬件描述

圖4 原理框圖

　　本方案的原理框圖如圖4所示：首先利用可控硅對220V交流輸入進行斬波，再經過EMI濾波器、整流橋后，輸入電壓經分壓后輸入到MCU。通過控制MOSFET的占空比來控制變壓器的輸出，即輸出電壓的大小和LED電流的大小。利用光耦對LED的電壓和電流進行隔離采樣，MCU通過檢測到導通角、輸入電壓、輸入電流和LED電壓、電流的采樣反饋信號共同進行調整MOSFET的占空比，從而達到LED燈的無級調光。電路結構拓撲框圖如圖5所示。

圖5 電路結構

5.2 軟件流程

　　由于Silabs的MCU兼容傳統的8051單片機，匯編指令和傳統的8051單片機指令一樣，同時支持目前國內使用最廣的Keil C仿真軟件，只要有過51單片機編程經驗或使用過Keil C的人，就可以很輕松的上手C8051F3xx系列的編程工作，而不需要事前投入大量時間進行學習。

圖6 軟件流程框圖

　　本方案使用C語言編程，程序可移植性強。軟件流程框圖如圖6所示：首先是進行變量的初始化、MCU時鐘、I/O口和ADC等的初始化；其次是進行軟起動，減少起動時的沖擊電流，有效提高高亮LED的壽命，然后是進行環路控制，通過采樣輸入電壓、輸入電流、導通角、輸出電流和輸出電壓一起來控制主功率管的PWM的占空比，通過優化控制來達到快速穩定的調光效果。方案軟件中斷流程框圖如圖7所示。

圖7 中斷流程框圖

6、 性能特點

　　本方案實現在輸入電壓為230ACV±15%、50Hz、功率為8~12W的驅動能力；在導通角為15%～80%范圍內實現1%~100%的快速、均勻和穩定地調光；在滿負載時功率因數為0.95以上；穩定可靠的輔助電源設計能在導通角最小時直接起動系統等優越性能。

7、 本文小結

　　本文詳細介紹了世強電訊推出的基于C8051F3xx全數字PFC可控硅調光驅動高亮LED解決方案。本方案用單芯片控制實現調光和PFC功能，具有快速有效的過流過壓保護，隔離驅動，良好的EMI特性，性價比高等優勢。

?