大熱的LED驅動設計方案

［摘要］
　　本項目是基于PFC理論、電流環控制理論來實現一個帶PFC功能的專用數字LED驅動，使用FPGA進行控制，可以得到高的可靠性、傳輸簡單性能指標良好、控制方式先進和外圍元件很少等優點。為固態照明LED領域提供更可靠經濟實用的照明驅動。
　　一、設計目標
　　隨著節能的概念日益深入人心，作為固態照明的的新型發光材料LED取得長足的進步。在歐洲，他們專門制訂了COST五年行動計劃，它提出新型光源要符合三個條件：高效、節能：不使用有害于環境的材料；模擬自然光，其顯色指數接近100。美國有專家提出，半導體已在電子學方面完成了一場革命，第二場革命將在照明領域進行，到2020年左右。固體光源的發光效率將達到2001m／w，能符合COST計劃提出的對新光源的要求，這樣，在國際上掀起了LED照明的熱潮。LED的最大潛在應用是普通照明。隨著技術的進步，高亮度自光LED正一步步進軍潛力巨大的燈光照明市場。
　　對于大功率電壓管理，為了防止加在負載上的電壓和電流波形之間存在相位差導致的結果之一是供電效率降低，即產生所要求的電力需要輸入更大的電力；導致的另外一個結果而且是更嚴重的后果，那就是電壓和電流的波形差產生過多的高次諧波。大量的高次諧波反饋到主輸入線（電網），造成電網被高次諧波污染成為惡性事故的隱患。同時，這種高次諧波也會擾亂控制系統里的敏感低壓電路。在歐洲有專門的標準要求電源管理必須有PFC（Power factor correct）來提高電源的質量。
　　同時作為排名2007年最值得期待的十大熱門半導體技術第二的數字電源無疑也是現在的熱門技術之一，由于數字電源具有更高的可靠性，外圍元件少，利于控制等優點，數字電源越來越受到電源管理界的注意。
　　基于以上三個原因，我們提出了基于FPGA調光的帶PFC功能的專用數字LED驅動這個項目。它將適用于路燈、景觀以及家庭和工業照明，有廣闊的應用前景。
　　二、設計思路
　　當電壓通過整流橋后，由H2模塊對輸入電壓波形進行采樣；用一個Windowed ADC對輸入電流進行采樣，然后進行處理，使輸入電流跟隨輸入電壓的波形，這樣就達到了電流跟隨電壓波形的目的，從而實現PFC校正的功能。由于對LED的驅動需要恒流，在反饋端，H1通過對電壓的取樣，達到了恒定輸出電流的目的，從而實現了LED恒流的專用驅動。
　　在框圖中，電流環路和電壓環路由FPGA進行控制，這樣會達到一個很好的控制方式。
　　
　　圖 1 整體系統框圖
　　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。