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大热的LED驱动设计方案
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2017-11-16
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［摘要］
本项目是基于PFC理论、电流环控制理论来实现一个带PFC功能的专用数字LED驱动，使用FPGA进行控制，可以得到高的可靠性、传输简单性能指标良好、控制方式先进和外围元件很少等优点。为固态照明LED领域提供更可靠经济实用的照明驱动。
一、设计目标
随着节能的概念日益深入人心，作为固态照明的的新型发光材料LED取得长足的进步。在欧洲，他们专门制订了COST五年行动计划，它提出新型光源要符合三个条件：高效、节能：不使用有害于环境的材料；模拟自然光，其显色指数接近100。美国有专家提出，半导体已在电子学方面完成了一场革命，第二场革命将在照明领域进行，到2020年左右。固体光源的发光效率将达到2001m／w，能符合COST计划提出的对新光源的要求，这样，在国际上掀起了LED照明的热潮。LED的最大潜在应用是普通照明。随着技术的进步，高亮度自光LED正一步步进军潜力巨大的灯光照明市场。
对于大功率电压管理，为了防止加在负载上的电压和电流波形之间存在相位差导致的结果之一是供电效率降低，即产生所要求的电力需要输入更大的电力；导致的另外一个结果而且是更严重的后果，那就是电压和电流的波形差产生过多的高次谐波。大量的高次谐波反馈到主输入线（电网），造成电网被高次谐波污染成为恶性事故的隐患。同时，这种高次谐波也会扰乱控制系统里的敏感低压电路。在欧洲有专门的标准要求电源管理必须有PFC（Power factor correct）来提高电源的质量。
同时作为排名2007年最值得期待的十大热门半导体技术第二的数字电源无疑也是现在的热门技术之一，由于数字电源具有更高的可靠性，外围元件少，利于控制等优点，数字电源越来越受到电源管理界的注意。
基于以上三个原因，我们提出了基于FPGA调光的带PFC功能的专用数字LED驱动这个项目。它将适用于路灯、景观以及家庭和工业照明，有广阔的应用前景。
二、设计思路
当电压通过整流桥后，由H2模块对输入电压波形进行采样；用一个Windowed ADC对输入电流进行采样，然后进行处理，使输入电流跟随输入电压的波形，这样就达到了电流跟随电压波形的目的，从而实现PFC校正的功能。由于对LED的驱动需要恒流，在反馈端，H1通过对电压的取样，达到了恒定输出电流的目的，从而实现了LED恒流的专用驱动。
在框图中，电流环路和电压环路由FPGA进行控制，这样会达到一个很好的控制方式。
图 1 整体系统框图
三、系统设计
1、电压环路的设计
从图一我们可以看见，从输出采样的ADC产生了一个通过电压环路补偿器的电压误差信号ev［n］，电压补偿器同时产生一个控制信号u［n］，它和输入端采样进行的半周期的电压正弦信号Vg（t）进行相乘，为电流环路的补偿产生一个参考电流。
电压控制环路应用简单，响应速度很快，它由一个基于PI的一个补偿器和一个Windowed ADC组成。其输入输出特性见图2，e［n］围绕着Vref电压波动，当输出电压小于设定的电压时，e［n］为正，通过电压补偿器，乘法器等调节输出占空比。同样当输出电压大于设定电压时，可以通过调节占空比将输出电压降低，达到了稳定输出电压及电流的功能。同时为了得到更好的动态响应，△VQ|e=0比其他的值大，为输出确定一个可以接受的输出纹波，当振荡超出其范围的时候，e［n］就会其作用稳定输出电压。
本项目是基于PFC理论、电流环控制理论来实现一个带PFC功能的专用数字LED驱动，使用FPGA进行控制，可以得到高的可靠性、传输简单性能指标良好、控制方式先进和外围元件很少等优点。为固态照明LED领域提供更可靠经济实用的照明驱动。
一、设计目标
随着节能的概念日益深入人心，作为固态照明的的新型发光材料LED取得长足的进步。在欧洲，他们专门制订了COST五年行动计划，它提出新型光源要符合三个条件：高效、节能：不使用有害于环境的材料；模拟自然光，其显色指数接近100。美国有专家提出，半导体已在电子学方面完成了一场革命，第二场革命将在照明领域进行，到2020年左右。固体光源的发光效率将达到2001m／w，能符合COST计划提出的对新光源的要求，这样，在国际上掀起了LED照明的热潮。LED的最大潜在应用是普通照明。随着技术的进步，高亮度自光LED正一步步进军潜力巨大的灯光照明市场。
对于大功率电压管理，为了防止加在负载上的电压和电流波形之间存在相位差导致的结果之一是供电效率降低，即产生所要求的电力需要输入更大的电力；导致的另外一个结果而且是更严重的后果，那就是电压和电流的波形差产生过多的高次谐波。大量的高次谐波反馈到主输入线（电网），造成电网被高次谐波污染成为恶性事故的隐患。同时，这种高次谐波也会扰乱控制系统里的敏感低压电路。在欧洲有专门的标准要求电源管理必须有PFC（Power factor correct）来提高电源的质量。
同时作为排名2007年最值得期待的十大热门半导体技术第二的数字电源无疑也是现在的热门技术之一，由于数字电源具有更高的可靠性，外围元件少，利于控制等优点，数字电源越来越受到电源管理界的注意。
基于以上三个原因，我们提出了基于FPGA调光的带PFC功能的专用数字LED驱动这个项目。它将适用于路灯、景观以及家庭和工业照明，有广阔的应用前景。
二、设计思路
当电压通过整流桥后，由H2模块对输入电压波形进行采样；用一个Windowed ADC对输入电流进行采样，然后进行处理，使输入电流跟随输入电压的波形，这样就达到了电流跟随电压波形的目的，从而实现PFC校正的功能。由于对LED的驱动需要恒流，在反馈端，H1通过对电压的取样，达到了恒定输出电流的目的，从而实现了LED恒流的专用驱动。
在框图中，电流环路和电压环路由FPGA进行控制，这样会达到一个很好的控制方式。
图 1 整体系统框图
三、系统设计
1、电压环路的设计
从图一我们可以看见，从输出采样的ADC产生了一个通过电压环路补偿器的电压误差信号ev［n］，电压补偿器同时产生一个控制信号u［n］，它和输入端采样进行的半周期的电压正弦信号Vg（t）进行相乘，为电流环路的补偿产生一个参考电流。
电压控制环路应用简单，响应速度很快，它由一个基于PI的一个补偿器和一个Windowed ADC组成。其输入输出特性见图2，e［n］围绕着Vref电压波动，当输出电压小于设定的电压时，e［n］为正，通过电压补偿器，乘法器等调节输出占空比。同样当输出电压大于设定电压时，可以通过调节占空比将输出电压降低，达到了稳定输出电压及电流的功能。同时为了得到更好的动态响应，△VQ|e=0比其他的值大，为输出确定一个可以接受的输出纹波，当振荡超出其范围的时候，e［n］就会其作用稳定输出电压。
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