一种驱动LED阵列照明的恒压恒流模型及其仿真

作者：时间：2011-05-23来源：网络收藏

摘要：针对LED芯片正向电压差异导致的LED阵列照明灯具串电流不均等、发光不平衡等问题，构建了一种恒压恒流驱动模型，拟用数字控制芯片实现该模型，并用Matlab对其数字实现逻辑进行了仿真。该模型采用相移脉宽调制技术确保每串LED电流均等，降低了总线电流的脉冲幅度，减少了系统电磁干扰，提高了转换效率，并能很方便地进行线性调光。
关键词：LED照明驱动；相移脉宽调制；数字控制；Matlab

0 引言
由于LED具备环保、长寿命和很高的发光效率等优点，使它作为下一代理想光源的地位已被各国相继确认。但LED最终取代传统光源，还有许多技术瓶颈，其中LED驱动技术是有待突破的关键瓶颈之一。
目前常用单颗大功率LED芯片的功率为1 W左右，要构建成更大功率的LED灯具，必须多颗LED芯片进行组合。LED发光的光通量与正向电流近似成线性关系，其光通量和色温都被流经它的电流所控制。确保每个LED发光芯片有相同的亮度的一个有效的方法是采用多个LED连成一串。然而，这样的一个主要问题是它们累积的电压降限制了串联的数量，限制了灯具功率扩大。另一方面，由于，LED的V／I特性的指数关系和LED正向压降的负温度特性，多个LED并联将遇到各LED串的均流问题。
影响光通量和色温的另外一个因素是温度。在使用中，LED灯一旦被点亮，系统温度会升高，随之LED的正向电流会增大，电流的增大会使温度更高。如果继续这个循环，LED灯具最终会被烧毁。因此，LED灯串的电流控制和温度控制在LED照明系统中显得非常重要。

1 LED封装芯片的正向电压差异
由于LED封装技术的复杂性，使LED芯片的最佳工作正向电压(Vf)存在较大的差异。表1列举了三家不同厂商产品的Vf值范围，从表中可以看出，LED芯片的Vf值最大偏差可以达到40％，平均偏差也在20％左右。LED的正向电流与正向电压成指数正变化关系，Vf的微小差异将造成LED正向电流的很大差异，从而影响LED正常照明。表中数据显示如此大的误差，故在照明驱动中不得不认真考虑这个问题。与驱动技术的发展相比，LED芯片制造和封装上的改进往往更艰难。因此控制流经LED芯片的电流显得更有意义。

2 大功率LED阵列灯具的驱动模型
有几种方法驱动多个LED串并联阵列，一个直接的方法直接用总线供电模式对多串LED芯片供电，参考文献，这样的模式没有解决LED串电流的均等问题，对LED灯具的寿命和发光效果造成不利影响。图1显示的模型在调控总线电压的基础上，在每个LED串上连接一个电流调节器。通常，电流调节器可以是线性模式或开关模式。图1采用开关模式，LED串总线电压由前极开关变换模块提供，每个LED串连接一个开关管，使LED串的电流受相移脉宽调制(Phase Shift Pulse Width Modulation，PS-PWM)，其作用是：通过相位控制，确保各串电流脉冲无多串同时跃变；通过反馈控制，调整开关脉冲占空比，确保各串LED电流均等。一种PS-PWM调制电路的实现可参照。在图1所示模型中，采用数字
控制芯片实现PS-PWM将更好。