大功率LED灯光动态变化控制器设计[1]

　　LED光源具有寿命长、光效高、能耗低等特点, 同时LED光源的光色饱和度、纯度等均是传统光源无法比拟的。上世纪90年代中期, G aN 基蓝色和绿色LED的突破使得LED 成为红、绿、蓝三基色完备的发光体系。通过控制红色、绿色和蓝色LED 的电流大小可以实现亮度、灰度、颜色的连续变化, 使得照明从通常意义上的白光扩展到多种颜色的光。因此人们可以根据个性要求、场景情况, 在不同的时间选择不同的照明效果。体现LED诸多特点的、场景化的照明系统必将是LED应用的重要发展方向之一, 其最重要的特征是利用LED实现场景照明的调控、预置和选择。

　　本设计运用3 路Boost Chopper电路推动红、蓝、绿LED灯, 采用电流闭环算法和DDS 原理动态改变LED电流, 将不同强度的LED 光线( RGB)进行组合,达到变色效果。

　　1 方案设计

　　本方案采用的LED灯额定工作电压为30 V, 额定电流为1. 2 A。在LED 灯光控制器设计中, 采用3路Boost Chopper电路使得红、绿、蓝色LED 灯电压按照预定要求变化。由于LED 灯的电流随着电压的增长按照指数规律增加, 所以电流控制比电压控制更加精确稳定, 因此采用了电流控制方式。

　　控制器对LED 灯电流进行采样, 并使用美国Mi crochip公司的dsPIC30F2023处理器对输出电流进行闭环控制。同时对输出电压进行检测, 防止LED灯两端电压过高, 损坏LED灯。为了使串口通信抗干扰能力强、传输距离远, 采用Max im 公司的SP491E 芯片,将处理器异步串口信号转为RS422差分信号; 在PC端, 再采用RS422􀀁RS232转换器将信号变为RS232信号, 实现与PC 机的对接, 使用者可以在PC 机上对三色灯的电流进行读取和设置。系统结构图如图1 所示, 虚线框内是控制器部分。

　　1. 1 dsPIC30F2023介绍

　　dsPIC30F2023是美国微芯(M icroch ip )公司电源控制用16位定点数字信号控制器DSC, 采用了高性能的改进型哈佛结构的R ISC CPU 内核, 允许多种外设和内部中断。其内部集成了DSP运算引擎, 支持多种寻址工作模式和单周期乘加指令。I /O 引脚驱动能力强; 集成外设功能强大, 包括3个16位定时器; 集成了SPI接口、I2C 总线接口, UART 串行接口, 12通道10位A /D转换器和电源控制PWM 模块, 专用于电源控制。它还具有多种工作模式, 能够运行在低功耗模式,降低系统功率; 工作电压范围为3. 3 V 和5 V, 抗干扰性能优异。

　　1. 2 Boost Chopper电路设计

　　本方案中, Boost Chopper 电路的输入电压为12V, 输出电压值随着全控型器件的导通关断规律变化,由于LED的额定电压为30 V, 所以设计的Boost Chop􀀁per电路输出电压变化范围为15~ 40 V。

　　( 1) 全控型器件的选择。功率MOSFET具有导通电阻低、负载电流大的优点。

　　本方案采用国际整流公司的MOSFET 器件IRF540, 其能承受的漏源级电压为100 V, 导通电阻为44m􀀁, 源漏极电流可达33 A。实际运用中, MOSFET 器件的工作温度达到70∃,尖峰电流很大, 在LED 灯功率不高于40W 和有散热的情况下, MOSFET 功率管能可靠工作。

　　( 2) 功率二级管的选择。

　　Boost升压电路中的二极管要承受的反向电压为28 V, 并要通过1. 5 A 的电流。在符合要求的功率二极管中, 为了节能, 导通电阻越小越好, 同时在实际过程中, 工作频率高, 电流尖峰很大。因此选用了IR 公司的MBR20100双并联肖特基快恢复二级管, 其过电流为20 A, 承受的反向电压为100 V, 导通电阻为0. 7 , 反向恢复时间短, 能满足设计需要。

　　( 3) 电感参数与斩波频率的确定。

　　大功率的升压变换器应工作在连续电流工作模式下, 电感的大小与斩波频率极为相关, 由于设计中的升压比最大为2. 5, 考虑设计余量, 使升压比高于3, 同时不能使电感的磁性材料饱和。在满足要求的情况下, 应尽可能地减小电感, 从而缩小控制器的面积。根据试验结果, 在斩波频率为480 kH z的情况下, 电感为1. 2 􀀂H。

　　1. 3 驱动电路设计

　　MOSFET 栅极电容比较大, 在导通之前要先对该电容充电, 当电容电压超过阈值电压时才开始导通。因此, 栅极驱动器的负载能力必须足够大, 以保证在系统要求的时间内完成对等效栅极电容的充电。同时开启电压大于10 V 才能使得MOSFET 可靠开启。本方案采用M icroch ip公司的双高速功率MOSFET 驱动芯片TC4426A, 它的峰值输出电流高达1. 5 A, 输出低电压为0. 025 V, 输出高电压比电源供电电压低0. 025V, 最高达18 V。控制器采用2片TC4426A, 能驱动4片MOSFET, 一路留作扩展。

　　1. 4 电流采样与电压采样

　　对输出电流检测采取小电阻采样法, 将小电阻的压降经过同向运算放大器电路的调节后, 传送至dsPIC30F2023。dsPIC30F2023 集成的10 位高精度A /D转换模块拥有高达2Mb / s的采样速率, 能实时采样LED灯的电流来进行电流闭环运算。由于电流大,电阻选取要考虑所选用电阻能承受的功率, 本方案采用0. 1 􀀁, 2512的封装, 当电流为2 A (考虑余量) 时,电阻的功耗不到0. 5W, 满足实际要求。

　　对输出电压采样过程中, 使用比较器电路, 当检测到LED灯的电压超过36 V 时, 立刻关断MOSFET 功率管, LED 灯两端电压降为输入电压。