1引言

大功率白光LED是新一代半導(dǎo)體光源，屬于非線(xiàn)性負(fù)載。由于無(wú)法大范圍精確地描述其負(fù)載特性，因此通過(guò)電壓型驅(qū)動(dòng)器無(wú)法有效地控制LED的發(fā)光特性。當(dāng)負(fù)載電壓有微小波動(dòng)就可引起電流很大的變化，從而使亮度發(fā)生較大變化。假如負(fù)載電壓波動(dòng)過(guò)大，則可能將LED燒壞。LED負(fù)載電流與LED的發(fā)光亮度、色溫、效率、光通量以及使用壽命緊密相關(guān)。因此，超高亮度LED通常都采用恒流源驅(qū)動(dòng)。雖然大功率白光LED的發(fā)效率比較高，但總體效率不僅取決于LED本身，也與驅(qū)動(dòng)電路有關(guān)，因此設(shè)計(jì)電流型開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器是滿(mǎn)足LED應(yīng)用的高功率及高效率要求的理想驅(qū)動(dòng)方法。

2LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)思想

由于該驅(qū)動(dòng)器重要用于汽車(chē)照明，其電源重要是蓄電池，因此要一個(gè)DC／DC轉(zhuǎn)換器來(lái)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)LED的恒定電流，進(jìn)而獲得LED光強(qiáng)的一致性和顏色的完整性。車(chē)載系統(tǒng)的LED照明工作方式變化范圍較大，故其驅(qū)動(dòng)器也應(yīng)適于不同的應(yīng)用要。汽車(chē)電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓為12V，電池電壓在電量耗光時(shí)可能降至8V，而發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)交流發(fā)電機(jī)則可能將其電壓充至14V。由于汽車(chē)電池電壓的變化范圍很寬，所要求的輸出電壓就可能高于或低于輸入電壓，故LED驅(qū)動(dòng)器要采用升一降壓的電路結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)保持LED的恒流要求。

考慮LED驅(qū)動(dòng)器作為電流控制系統(tǒng)的本質(zhì)特點(diǎn)，選擇通用開(kāi)關(guān)電源芯片MC33167為核心器件，它采用7．5～40V低壓直流供電，芯片內(nèi)部開(kāi)關(guān)管通過(guò)電流最大可達(dá)5A，并且通過(guò)配置合適的外圍電路就可實(shí)現(xiàn)升-降壓功能，因此該芯片完全可做為汽車(chē)用LED驅(qū)動(dòng)器的核心芯片。

3開(kāi)關(guān)電源核心芯片的分析研究

LED特種照明驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)電源芯片采用MC33167，該芯片可供應(yīng)多種功能，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。如超過(guò)5A的輸出開(kāi)關(guān)電流，無(wú)需外接電阻即可供應(yīng)5V的輸出，內(nèi)部2％精度的基準(zhǔn)源，可供應(yīng)欠電壓保護(hù)和內(nèi)部熱保護(hù)，各種保護(hù)模式可使電路工作在安全狀態(tài)下。在保護(hù)模式可將電源電流降至36μA，大大降低芯片的功耗。內(nèi)置72kHz固定頻率的振蕩器，可使開(kāi)關(guān)電源輸出較高頻率的pWM，因此在芯片外部使用較小的電感電容就可實(shí)現(xiàn)濾波用途，大大簡(jiǎn)化了外部元件。

芯片5腳電位U5與輸出電位U2對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。芯片1腳電位U1變化時(shí)(U1與標(biāo)準(zhǔn)電壓5．05V不相等時(shí))，U5則相應(yīng)成比例變化，U5與晶振出現(xiàn)的鋸齒波經(jīng)過(guò)pWM運(yùn)算放大器的比較，輸出高電平或低電平，然后經(jīng)過(guò)內(nèi)部邏輯電路運(yùn)算控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通或關(guān)斷，從而控制U2。因此隨著U5的變化，輸出開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)時(shí)間也就不同，即U2的占當(dāng)比發(fā)生變化，從而控制輸出電壓的大小。當(dāng)U1降低時(shí)，U5升高，同時(shí)控制U2的占空比升高，平均值新增，所以輸入U(xiǎn)1與輸出U2成反比變化。因此在芯片外部新增負(fù)反饋電路就可以形成穩(wěn)定的電源。

4LED驅(qū)動(dòng)器電路開(kāi)發(fā)

4．1從電壓源到電流源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電壓源電路中，其輸出電壓必然為U1=5V，即電源芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓，否則電路無(wú)法穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)實(shí)際電路的測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果顯示電路工作正常，可以獲得穩(wěn)定的輸出電壓Uo=5V。由電壓源可進(jìn)一步改變芯片外部的反饋形式，使之成為電流反饋，從而設(shè)計(jì)電流源。

電流源電路如圖3所示，通過(guò)外部疊加電壓Uc來(lái)控制輸出電流。由疊加原理可知：

IL為負(fù)載電流，若取R4=R5，R6=R7，Uref=5V，單片機(jī)輸出的控制電壓Uc為0～5V，偏置電壓Up為5V。當(dāng)Uc=0時(shí)，IL=0；當(dāng)Uc=5V時(shí)，IL=1A，采樣電阻Rc=0．25Ω，可得：IL=0．2Uc。因此通過(guò)調(diào)整控制Uc的大小，可以線(xiàn)性控制輸出電流的值。

4．2LED驅(qū)動(dòng)器的閉環(huán)穩(wěn)定性分析

由上述可知驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)各部分的傳遞函數(shù)，當(dāng)pWM輸出接LC濾波器時(shí)，可以得到其總體控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

綜合考慮LED驅(qū)動(dòng)器的用途，在設(shè)計(jì)時(shí)控制系統(tǒng)首要考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度，同時(shí)驅(qū)動(dòng)器重要用于汽車(chē)，外界干擾比較大，而且調(diào)光速度不會(huì)很快，因此系統(tǒng)帶寬不要很大。取濾波電感200μH，電容20μF，此時(shí)濾波器諧振頻率ωn=15．8krad·s-1，驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)頻率ω=452krad·s-1，所以輸出紋波衰減約818倍，完全滿(mǎn)足濾波要求；實(shí)測(cè)電感電阻及電源芯片內(nèi)阻之和Rin=0．1Ω，負(fù)載電阻10Ω，阻尼系數(shù)ξ=0．473，此處選擇較小的ξ也有利于濾除紋波；電流采樣電阻0．1Ω，滯后校正電路中R2=100Ω，R3=10kΩ，C3=1μF，兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率ω1=100rad·s-1，ω2=10krad·s-1，因此有效地降低系統(tǒng)高頻增益，并且消除了ξ對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響；同時(shí)驅(qū)動(dòng)器pI控制器中Rf=2000Ω，Cf=1μF，其零點(diǎn)轉(zhuǎn)折頻率ω0=500rad·s-1，處于滯后校正極點(diǎn)轉(zhuǎn)折頻率ω1=100rad·s-1與系統(tǒng)剪切頻率ωc=1150rad·s-1之間，因此使整個(gè)系統(tǒng)幅頻特性以-20dB／dec穿過(guò)0dB線(xiàn)．提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

濾波器內(nèi)阻Rin=0．1Ω時(shí)，負(fù)載電阻R=10Ω，L=190μH，C=20μF時(shí)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)波特圖如圖5所示，其中圖5a為系統(tǒng)不帶滯后校正環(huán)節(jié)時(shí)的波特圖，圖5b為滯后校正后的波特圖。由圖可知，經(jīng)過(guò)滯后校正系統(tǒng)變穩(wěn)定，且相角裕度比較大。

4．3LED驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電流源電路以開(kāi)關(guān)電源芯片MC33167為核心，其工作原理圖如圖6所示。

首先考慮電壓源，通過(guò)電壓源的實(shí)驗(yàn)電路充分了解電源的工作原理。然后設(shè)計(jì)得出電壓源，通過(guò)電壓源的實(shí)驗(yàn)電路充分了解電源的工作原理。然后設(shè)計(jì)外部電流反饋環(huán)及外部電流控制電路。由于單片機(jī)的輸出電壓范圍為0～5V，因此控制電路還應(yīng)包括控制電壓與單片機(jī)輸出電壓的匹配電路。驅(qū)動(dòng)器智能控制模塊電路以單片機(jī)pIC18F258為核心，它采用16位高性能RISCCpU，具有1536字節(jié)RAM，32kFLASH，片內(nèi)含有A／D，EEpROM存儲(chǔ)器，具有pWM輸出功能，并集成了硬件實(shí)現(xiàn)的USART和CAN串行接口。單片機(jī)控制模塊電路其外圍配置有電源、復(fù)位、晶振，以及基于pWM信號(hào)的電壓輸出、485-Can通信接口收發(fā)器等電路。

4．4測(cè)試結(jié)果分析

采樣電阻為0．25Ω，當(dāng)改變控制電壓時(shí)，輸出電流應(yīng)該相應(yīng)地線(xiàn)性變化，即，IL=0．2Uc。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的控制電壓與輸出電流的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如圖7所示。實(shí)際對(duì)應(yīng)關(guān)系為：IL=0．167Uc+0．043，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知實(shí)際的控制電壓與輸出電流對(duì)應(yīng)關(guān)系的趨勢(shì)基本相同?？紤]到電路中實(shí)際電路參數(shù)以及偏差電壓的誤差，因此該結(jié)果完全正常。

5結(jié)論

給出所開(kāi)發(fā)的基于開(kāi)關(guān)電流芯片MC331647的LED驅(qū)動(dòng)器，成功實(shí)現(xiàn)供給的負(fù)載電壓可在較寬的范圍內(nèi)變化，并且能帶功率較大的負(fù)載，采用智能控制模塊，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地控制LED發(fā)光強(qiáng)度，測(cè)試出驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，具有在車(chē)載LED中推廣的價(jià)值。