基于MCU和ASIC的LED可控硅调光方案对比与解析

中心议题：
     *  LED的发光特性
     *  恒功率控制LED调光方式
     *  基于MCU控制恒流的方案

作为一种新的、最有潜力的光源，LED照明以其节能、环保的优势越来越受到人们重视。加上国家和地方政府的政策鼓励，我国的LED照明产业进入了加速发展阶段，运用市场迅速增长。在室内照明方面，用LED灯替代传统的可调光白炽灯或者卤素灯也将是大势所趋。

由于传统的白炽灯调光器采用可控硅调光器，用LED灯替代白炽灯时，要求不能改变原有线路，还要能适应现有的可控硅调光器。针对这一目标市场，目前很多大的半导体厂商（包括国际知名半导体厂商）都已经推出了自己的LED调光ASIC，但由于LED固有的发光原理，目前市面上的LEDASIC调光案都还不是很成熟，都有其固有的问题，本文就将针对目前的调光方案做一个详细的分析，并介绍我们基于MCU的调光方案。

LED的发光特性

目前的新技术使LED能够达到很高的功率水平，LED的功率能够达到1W，甚至有些达到5W，光效达到60-85LM/W，这种LED设备称为高亮LED(HB-LED)。目前我们用在照明上LED都是HB-LED，一般都是选择1W的LED通过串并联的方式组成大功率LED灯，尤其以串联为主。这种LED的为3.4V±2%，正向电流为350mA左右。其-曲线如图1.1所示。



从图1中可以看出，当加在LED两端的电压没有达到3.4V之前，随着的增加而增加。当加在LED两端的电压达到3.4V时，的变化很小，增加LED两端的电压只会增加流过LED的电流，从而改变LED的亮度，直到增加到LED的最大　(350MA)，LED达到最大亮度。而一直被箝位在(3.4V)左右。并且会随着温度和LED工作时间的变化而变化，变化曲线如图1.2所示。



从图1.2可以看出，随着温度的上升，会逐渐变小，相反，当温度降低时，会增加。当LED的温度上升到85度时,已经有变成3.25V（3.4V-0.15V）,相反当LED温度降到-40度时，变成3.6V（3.4V+0.2V）。

所以在LED调光时，要想让LED调到一个固定的亮度，就必须要保证一个固定的，也就说要采用恒流控制。还有另一种方式：恒功率控制。这也是目前市面上调光ASIC普遍采用的方式。但恒功率控制有其固有的缺陷。



恒功率控制LED调光方式

1 理论依据

恒功率控制方式一般采用单级FLYBACK拓扑结构，基本框图如图2.1所示。



从图中可以看出与一般开关电源的FLYBACK相比，恒功率方案多了一个调光信号控制回路，用于检测输入可控硅的导通角和输入电压，从而给出相应的调光信号。同时，方案中没有反馈信号，完全开环控制，由原边控制占空比的大小从而控制输出功率的大小，。其控制的理论依据为：



式中：
P为输出给LED的功率；
η为转换器的效率，主要由变压器决定；
IP为原边变压器的平均电流；
LP为变压器的原边电感；
f为FLYBACK的开关频率。

恒功率控制方式都是先预知LED的输出功率，理论上，一旦变压器设计好之后，都已确定，只要改变原边电流的大小，就可以改变输出功率的大小。再由于：



式中：
U为加在变压器原边的电压，即输入电压；D为占空比；为开关频率；为变压器的原边电感。根据式2.2可知，与D成正比，只要改变占空比D就能改变原边电流的大小，也就能改变输出功率的大小。

2 优缺点

理论上，这种拓扑结构简单，成本低，但仔细分析就会发现，这种方式存在很多弊端。首先是很难控制，往往偏差很大，再加上采用开环控制，精度很难保证，在批量时，用同样的占空比都会导致输出功率偏差很大，直接体现在灯上就是LED的亮度会偏差很大，很难保证其一致性。

其次，恒功率控制都是预先假定输出功率是恒定的，比如用9个1W（=3.4V,　=350MA）的LED串联起来用做一个9W的PAR灯，那么设计时候就会用=9W来计算。但实际上每个LED的都会偏差，偏差值如表2.1所示：


从表格2.1可以看出，虽然每个LED的偏差都不会太大，但当LED串联起来时，总的偏差就不能忽略了。PAR灯的实际功率可能不止9W或者不到9W,直接反应在灯上就是最大亮度没有到额定值或者比额定值要亮。当PAR灯的实际功率不到9W时，而驱动的输出功率依然是9W，那么流经LED的电流就已经超过了额定的，长期工作对LED的寿命和显色性都会造成一定的影响。

另外，就算LED出厂时没有偏差，根据图1.2所示，也会随着温度和工作时间的变化而变化，当由于的变化使得LED的额定功率小于9W时，长期工作将会影响LED的使用寿命和显色性。

再次，功率兼容性问题。由于恒功率控制方式都是预先设定好输出功率，当所接的灯功率与预先设定的功率不匹配时，LED灯不能正常工作。当所接的灯的功率小于预设功率时，甚至会烧毁LED灯。

还有就是空载损耗的问题，由于恒功率控制方案的输出功率只与输入电压和导通角的大小有关，当没有与接LED灯时，依然会有相应的功率输出，使得空载损耗变得很大。

最后，调光器的兼容性问题。由于LED是用来替代以前的白炽灯，所以LED调光也必须用可控硅调光。白炽灯是纯阻性负载，对可控硅的导通不会造成什么影响，但LED的驱动电路由开关电源组成，就不是一个纯负载了，因此会对可控硅造成一定的影响。可控硅的斩波波形很容易产生畸变，尤其很难保持很好的导通状态。所以在驱动上一般都要加可控硅稳定电路。恒功率控制法由于其纯硬件实现，就算加了可控硅稳定电路，对调光器的适应性也有限。

由于恒功率控制有其结构简单，成本低的优点，而其缺点部分短时间里可能没能体现出来，所以很多半导体厂商都采用此方法。但若采用MCU控制恒流的方案，以上问题都可以很好的解决。



3. 基于MCU控制恒流的方案

世强电讯提出的基于MCU控制恒流的方案整体框图如图3.1所示。方案由两级组成，第一级为FLYBACK，采用闭环控制以输出一个稳定的电压给第二级供电，第二级采用MCU控制，组成一个BUCK恒流控制电路。其中MCU要完成的功能包括；1：根据可控硅导通角的大小，给出相应的调光信号。2：根据可控硅斩波后波形的畸变情况决定是否需要改变调光信号。3：通过检测LED的电流反馈，给出相应的占空比，稳定流经LED的电流，达到恒流控制。



3.1 理论依据
恒流控制电路拓扑结构为BUCK电路，BUCK用于恒压输出时候，输入电压与输出电压的关系为：



式中：
V0为输出电压；
D为占空比；
Vin为输入电压。

从式3.1中可以看出，输出电压与占空比和输入电压都成正比。在闭环控制中，取输出电压反馈信号VFB与预设基准电压Vref比较，当输入电压一定时，如果VFB大于Vref，则减小占空比D，相反当VFB小于Vref时，增大D，以达到稳压的效果。

所以，当BUCK电路用于恒流控制时，只要把电压反馈信号改成电流反馈信号就可以达到恒流的效果。

3.2 优缺点

由于MCU控制恒流方案由于采用恒流控制，针对恒功率控制方案中出现的问题都能很好的解决；

首先，针对由于VF的偏差对LED的使用寿命和显色性的影响问题。采用恒流控制方案，当VF有偏差或者随着温度和工作时间的变化而变化时，只要D不变，输出给LED的电流并不会发生太大的变化。虽然LED的正向电流IF也会随着温度和工作时间的变化而变化，但每个LED的IF偏差都都不会太大，对于用多个LED串连起来组成的大功率LED灯，并不会对LED的使用寿命和显色性造成任何的影响。

其次，由于采用闭环控制，可以达到很高的输出电流的精度。能保证灯的一致性。

再次，功率兼容性问题。MCU恒流控制方案能兼容额定功率以下的LED灯。对于串联的LED灯，改变输出功率的大小，只是改变了LED灯的数目n和输出给LED灯的电压VLED，并不会改变输出电流的大小。当输出功率比额定功率小时，加在LED灯上的箝位电压n*VF变小，而输出给LED的电压VLED此时依然为额定值，所以流经LED的电流会变大，使得电流反馈信号VIFB大于基准电压Vref，那么占空比会变小，输出电压VLED变小，流经LED的电流也变小，直到额定电流值。所以可以兼容额定功率以下的LED灯。

而针对空载损耗问题，可以用MCU检测是否有负载接入，当检测到没有LED接入时，可以关闭后级的BUCK电路，减小空载损耗。

最后，可控硅的兼容性问题。恒功率控制方案中，采用纯硬件模式来稳定可控硅的导通，对调光器的适应性还是有限。在MCU控制恒流方案中，除了有硬件稳定电路，还有软件对可控硅斩波后的波形进行辨别处理。可以通过软件设置，判断斩波后的波形是畸变还是真的在调光，从而决定要不要改变相应的调光信号。所以MCU控制恒流方案提高了对调光器的适应性。

当然，由于MCU恒流控制采用两级闭环控制方案，相对于ASIC的恒功率单级控制方案，也存在一些不足之处，首先就是在结构上要比恒功率控制方案复杂，成本上略高1~2RMB，另外就是效率比恒功率方案要低，但完全能满足“能源之星”的要求。

4. 总结



通过上述的分析比较，不难看出，在一致性、功率兼容性、调光器的兼容性和对LED的使用寿命和显色性的影响等关键指标方面，MCU控制恒流方案都要比ASIC控制恒功率方案有绝对的优势。