基于C8051F3xx的全数字PFC可控硅调光驱动高亮LED
基于c8051f3xx的全数字pfc可控硅调光驱动高亮led解决方案
1、 引言
欧盟、美国、加拿大及我国***地区等多个国家和地区己经发布了禁用白炽灯的政策和明间表，到2012年几乎所有发达国家都将禁售白炽灯。高亮led作为新型高效固体光源，具有寿命长、能效高、可靠性高、色彩丰富、微型化、体积小、重量轻、电压低、电流小、亮度高和发光响应速度快等优点，它将逐步替代荧光灯、白炽灯，成为21世纪最具发展前景的节能、环保型照明产品，它将引发第三次照明革命。在详细分析了市场后，我们世强电讯在此推出基于c8051f3xx全数字pfc可控硅调光驱动高亮led的解决方案。 2、 高亮led的基本特性 高亮led的基本特性分别如图1和图2所示。从图1高亮led电压-电流曲线图分析可以得出：高亮led在电压小于2.5v的时候是不导通的的；而当电压大于2.5v时，电流随电压的升高呈指数级上升，说明高亮led是一种电压敏感型的元器件。从图2高亮led电流-亮度曲线图分析可以得出：电流与亮度的关系基本上是属于线性关系。因此，要做到无级调光，就必须很好地控制电流的线性度。
图1 高亮led电压-电流曲线图
图2 高亮led电流-亮度曲线图
3、 pfc原理与led驱动技术 3.1 pfc原理 pfc表示功率因数校正（power factor correction），它的工作原理如下：主电路的输出电流（或电压）和基准电流（或电压）比较后，输入给电流（或电压）误差放大器ca1，整流电压检测值和va的基本电流（或电压）信号共同加到乘法器m的输入端，乘法器m的输出则作为电流反馈控制的基准信号，与开关电流检测值比较后，经过电流误差放大器ca2加到pwm及驱动器，以控制开关的通断，从而使输入电流的波形与整流电压的波形基本一致，使电流谐波大为减少，提高了输入端功率因数。 常用的控制ac-dc开关变换器实现pfc的方法基本上有三种：即电流峰值控制，电流滞环控制，以及平均电流控制。表1为常用的三种pfc控制方法。
表1 常用的三种pfc控制方法
由于目前市场上大多数的led都是需要直流电源进行驱动，因此必须有一个很好的驱动电源，才能发挥出led的良好的特性。led驱动方式有恒流式和恒压式，这两种方法有其各自的优缺点：（1）、恒流驱动输出的电流是恒定的，易保证led亮度的均匀性，但是输出的直流电压却随着负载大小不同在一定范围内变化，而恒压驱动输出的电流却随着负载的增减而变化，其不易保证led亮度均匀性；（2）、恒流驱动由于其有最大承受电流及电压值，所以需要限制led的使用个数，而恒压驱动时为了使每串稳压电路驱动led显示亮度均匀，需要加上合适的电阻才可以；（3）、恒流不怕负载短路却严禁负载完全开路，而恒压不怕负载开路却严禁负载完全短路；（4）、恒流驱动led是很理想的，但是价格比较高。对这两种方法比较后，在本方案中我们是使用恒流方式驱动led的。 4、 常用调光方法、可控硅特性及其调光难点 4.1 常用调光方法 目前市场上常用的调光方法有： ①、脉冲宽度调制pwm调光方法：这种调光控制法是利用调节高频逆变器中功率开关的脉冲占空比，从而实现灯输出功率的调节。 ②、改变半桥逆变器供电电压调光法；通过改变半桥逆变器的供电电压，从而改变输出功率达到调光的效果。 ③、脉冲调频调光法：如果高频交流电子镇流器的开关工作频率增加，则镇流电感的阻抗增加，这样流过镇流电感的电流就会下降，导致流过灯负载的电流下降，从而实现调光； ④、脉冲调相调光法：利用调节半桥逆变器中两个功率开关管的导通相位的方法来调节输出功率，从而达到调光的目的。 ⑤、可控硅相控调光法：由于可控硅相控（斩波法）调光具有体积小，设备质量轻，价格合理和调光功率控制范围的优点，所以可控硅相控调光法是目前使用最为广泛的调光方法。应用可控硅相控工作原理，通过控制可控硅的导通角，将电网输入的正弦波电压斩掉一部分，以降低输出电压的平均值，达到控制灯电路供电电压，从而实现调光。可控硅相控调光对照明系统的电压调节速度快，调光精度高，调光参数可以分时段实时调整，因此在本方案中我们使用可控硅进行调光，可以精确地控制输出功率。 4.2 可控硅原理及特性 可控硅的原理及特性：标准的双向可控硅既可被栅极的正向电流触发，也能被栅极的反向电流触发，它可以在四个象限内导通。当栅极电压达到门限值ｖｇｔ且栅电流达到门限值ｉｇｔ时，可控硅被触发导通。当触发电流的脉宽较窄时，则应提高触发电平。当负载电流超过可控硅的闩电流ｉｌ时，即使此时的栅电流减为零，可控硅仍能维持导通状态。在负载电流为零时，最好用反相的直流或单极性脉冲的（栅极）电流触发。
可控硅相控斩波原理如图3所示：在正弦波交流过零后的某一相位，在可控硅的栅极上加一正触发脉冲，使可控硅触发导能，根据可控硅的开关特性，这一导通将维持到正弦波的正半周结束。所以在正弦波的正半周中，范围内可控硅不导通，这一范围叫做可控硅的控制角；而在的相位区间可控硅导通，这一范围为可控硅的导通角，常用表示。同样，在正弦交流电的负半周，对处于反向联接的另一只可控硅，在相位角 时施加触发脉冲，使其导通。如此周而复始，对正弦波的每一半周期控制其导通，获得相同的导通角。如果改变触发脉冲的触发相位，即改变可控硅导通角（或控制角）的大小。
4.3 可控硅调光的难点以及我们的应对策略 目前可控硅调光的难点有：例如导通角检测不准、调光不够快速以及稳定、低压无法启动、功率因数低、功率因数不稳定等问题。 我们的应对策略是：采用软硬件给合的方法进行导通角的检测，可以精确的检测导通角，导通角的误差可以达到0.5%以内；利用快速的pwm更新速度和精度，可以使输入与输出很好地对应，达到调光快速性以及精确性即稳定性；稳定可靠的辅助电源设计可以使系统在导通角为最小的时候直接起动；功率因数稳定问题通过优化设计软件来达到，且功率因数高。 5、 方案实现 5.1 硬件描述
图4 原理框图
本方案的原理框图如图4所示：首先利用可控硅对220v交流输入进行斩波，再经过emi滤波器、整流桥后，输入电压经分压后输入到mcu。通过控制mosfet的占空比来控制变压器的输出，即输出电压的大小和led电流的大小。利用光耦对led的电压和电流进行隔离采样，mcu通过检测到导通角、输入电压、输入电流和led电压、电流的采样反馈信号共同进行调整mosfet的占空比，从而达到led灯的无级调光。电路结构拓扑框图如图5所示。
图5 电路结构
5.2 软件流程 由于silabs的mcu兼容传统的8051单片机，汇编指令和传统的8051单片机指令一样，同时支持目前国内使用最广的keil c仿真软件，只要有过51单片机编程经验或使用过keil c的人，就可以很轻松的上手c8051f3xx系列的编程工作，而不需要事前投入大量时间进行学习。
图6 软件流程框图
本方案使用c语言编程，程序可移植性强。软件流程框图如图6所示：首先是进行变量的初始化、mcu时钟、i/o口和adc等的初始化；其次是进行软起动，减少起动时的冲击电流，有效提高高亮led的寿命，然后是进行环路控制，通过采样输入电压、输入电流、导通角、输出电流和输出电压一起来控制主功率管的pwm的占空比，通过优化控制来达到快速稳定的调光效果。方案软件中断流程框图如图7所示。
图7 中断流程框图
6、 性能特点 本方案实现在输入电压为230acv±15%、50hz、功率为8~12w的驱动能力；在导通角为15%～80%范围内实现1%~100%的快速、均匀和稳定地调光；在满负载时功率因数为0.95以上；稳定可靠的辅助电源设计能在导通角最小时直接起动系统等优越性能。 7、 本文小结 本文详细介绍了世强电讯推出的基于c8051f3xx全数字pfc可控硅调光驱动高亮led解决方案。本方案用单芯片控制实现调光和pfc功能，具有快速有效的过流过压保护，隔离驱动，良好的emi特性，性价比高等优势。
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图1 高亮led电压-电流曲线图
图2 高亮led电流-亮度曲线图
3、 pfc原理与led驱动技术 3.1 pfc原理 pfc表示功率因数校正（power factor correction），它的工作原理如下：主电路的输出电流（或电压）和基准电流（或电压）比较后，输入给电流（或电压）误差放大器ca1，整流电压检测值和va的基本电流（或电压）信号共同加到乘法器m的输入端，乘法器m的输出则作为电流反馈控制的基准信号，与开关电流检测值比较后，经过电流误差放大器ca2加到pwm及驱动器，以控制开关的通断，从而使输入电流的波形与整流电压的波形基本一致，使电流谐波大为减少，提高了输入端功率因数。 常用的控制ac-dc开关变换器实现pfc的方法基本上有三种：即电流峰值控制，电流滞环控制，以及平均电流控制。表1为常用的三种pfc控制方法。
表1 常用的三种pfc控制方法
由于目前市场上大多数的led都是需要直流电源进行驱动，因此必须有一个很好的驱动电源，才能发挥出led的良好的特性。led驱动方式有恒流式和恒压式，这两种方法有其各自的优缺点：（1）、恒流驱动输出的电流是恒定的，易保证led亮度的均匀性，但是输出的直流电压却随着负载大小不同在一定范围内变化，而恒压驱动输出的电流却随着负载的增减而变化，其不易保证led亮度均匀性；（2）、恒流驱动由于其有最大承受电流及电压值，所以需要限制led的使用个数，而恒压驱动时为了使每串稳压电路驱动led显示亮度均匀，需要加上合适的电阻才可以；（3）、恒流不怕负载短路却严禁负载完全开路，而恒压不怕负载开路却严禁负载完全短路；（4）、恒流驱动led是很理想的，但是价格比较高。对这两种方法比较后，在本方案中我们是使用恒流方式驱动led的。 4、 常用调光方法、可控硅特性及其调光难点 4.1 常用调光方法 目前市场上常用的调光方法有： ①、脉冲宽度调制pwm调光方法：这种调光控制法是利用调节高频逆变器中功率开关的脉冲占空比，从而实现灯输出功率的调节。 ②、改变半桥逆变器供电电压调光法；通过改变半桥逆变器的供电电压，从而改变输出功率达到调光的效果。 ③、脉冲调频调光法：如果高频交流电子镇流器的开关工作频率增加，则镇流电感的阻抗增加，这样流过镇流电感的电流就会下降，导致流过灯负载的电流下降，从而实现调光； ④、脉冲调相调光法：利用调节半桥逆变器中两个功率开关管的导通相位的方法来调节输出功率，从而达到调光的目的。 ⑤、可控硅相控调光法：由于可控硅相控（斩波法）调光具有体积小，设备质量轻，价格合理和调光功率控制范围的优点，所以可控硅相控调光法是目前使用最为广泛的调光方法。应用可控硅相控工作原理，通过控制可控硅的导通角，将电网输入的正弦波电压斩掉一部分，以降低输出电压的平均值，达到控制灯电路供电电压，从而实现调光。可控硅相控调光对照明系统的电压调节速度快，调光精度高，调光参数可以分时段实时调整，因此在本方案中我们使用可控硅进行调光，可以精确地控制输出功率。 4.2 可控硅原理及特性 可控硅的原理及特性：标准的双向可控硅既可被栅极的正向电流触发，也能被栅极的反向电流触发，它可以在四个象限内导通。当栅极电压达到门限值ｖｇｔ且栅电流达到门限值ｉｇｔ时，可控硅被触发导通。当触发电流的脉宽较窄时，则应提高触发电平。当负载电流超过可控硅的闩电流ｉｌ时，即使此时的栅电流减为零，可控硅仍能维持导通状态。在负载电流为零时，最好用反相的直流或单极性脉冲的（栅极）电流触发。
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4.3 可控硅调光的难点以及我们的应对策略 目前可控硅调光的难点有：例如导通角检测不准、调光不够快速以及稳定、低压无法启动、功率因数低、功率因数不稳定等问题。 我们的应对策略是：采用软硬件给合的方法进行导通角的检测，可以精确的检测导通角，导通角的误差可以达到0.5%以内；利用快速的pwm更新速度和精度，可以使输入与输出很好地对应，达到调光快速性以及精确性即稳定性；稳定可靠的辅助电源设计可以使系统在导通角为最小的时候直接起动；功率因数稳定问题通过优化设计软件来达到，且功率因数高。 5、 方案实现 5.1 硬件描述
图4 原理框图
本方案的原理框图如图4所示：首先利用可控硅对220v交流输入进行斩波，再经过emi滤波器、整流桥后，输入电压经分压后输入到mcu。通过控制mosfet的占空比来控制变压器的输出，即输出电压的大小和led电流的大小。利用光耦对led的电压和电流进行隔离采样，mcu通过检测到导通角、输入电压、输入电流和led电压、电流的采样反馈信号共同进行调整mosfet的占空比，从而达到led灯的无级调光。电路结构拓扑框图如图5所示。
图5 电路结构
5.2 软件流程 由于silabs的mcu兼容传统的8051单片机，汇编指令和传统的8051单片机指令一样，同时支持目前国内使用最广的keil c仿真软件，只要有过51单片机编程经验或使用过keil c的人，就可以很轻松的上手c8051f3xx系列的编程工作，而不需要事前投入大量时间进行学习。
图6 软件流程框图
本方案使用c语言编程，程序可移植性强。软件流程框图如图6所示：首先是进行变量的初始化、mcu时钟、i/o口和adc等的初始化；其次是进行软起动，减少起动时的冲击电流，有效提高高亮led的寿命，然后是进行环路控制，通过采样输入电压、输入电流、导通角、输出电流和输出电压一起来控制主功率管的pwm的占空比，通过优化控制来达到快速稳定的调光效果。方案软件中断流程框图如图7所示。
图7 中断流程框图
6、 性能特点 本方案实现在输入电压为230acv±15%、50hz、功率为8~12w的驱动能力；在导通角为15%～80%范围内实现1%~100%的快速、均匀和稳定地调光；在满负载时功率因数为0.95以上；稳定可靠的辅助电源设计能在导通角最小时直接起动系统等优越性能。 7、 本文小结 本文详细介绍了世强电讯推出的基于c8051f3xx全数字pfc可控硅调光驱动高亮led解决方案。本方案用单芯片控制实现调光和pfc功能，具有快速有效的过流过压保护，隔离驱动，良好的emi特性，性价比高等优势。
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