高性能调光调色LED控制电路分析(一)

广东工业大学硕士学位论文

( 工 学 硕 士 )

高性能调光调色LED控制电路的研究

李楠

指导教师姓名、职称：  潘永雄副教授  

学科(专业)或领域名称：  电子科学与技术 

学 生 所 属 学 院 ：物理与光电工程学院

论 文 答 辩 日 期 ： 2015年5月30日

摘 要

亮度和色温均可以自由调节的LED灯具是LED照明产业的发展方向。根据目前 LED技术发展现状来看，未来三至五年内是此亮度、色温可调节的LED灯具推广和应 用的重要阶段。而优质的LED驱动电源，将是推动这一发展的核心动力。可以预见， 在不远的未来，电源技术将与LED技术、数字控制技术更紧密地结合，为正在悄然来临的智能化世界服务。

本文从LED照明灯具调光调色方法、功率电路设计、MCU控制电路及软件设计 等方面对一款高性能调光调色LED电源进行了较为完整的理论分析与设计，并制作样机对设计进行验证。本次课题完成的主要工作包括以下几点：

1、在基础知识方面，本文首先介绍了LED照明的常用调光调色方式，给出了调光调色的数值计算方法。并介绍了开关电源的常用拓扑、工作模式和控制方式。

2、优化了目前双路高低色温白光LEDPWM混色调光方式，提出了一种更简便、 高效、安全的控制策略。鉴于任意占空比、相位无关驱动信号存在的问题，根据实际 应用条件，提出一种基于时间混色方式的冷暖LED光源调光调色PWM控制方法。该 策略的特征在于：两路PWM控制信号相位始终保持交错关系，即保持180°相位差，不允许驱动信号存在交叠，并预留了死区时间。

3、提出了一种单极反激式APFC电路与线性恒流电路、调光PWM开关电路、数 字控制电路结合应用的电路结构。其中，以单级反激式APFC电路为主要结构，在输 出端接入线性调整器结构，保证输出精确恒流。同时通过检测线性调整器中功率晶体 管上的压降，反馈到前级控制器，调整前级输出，使线性调整器既能消除前级输出的 工频纹波，又能减少损耗，实现高效率。线性调整器中的功率晶体管同时作为LED负载PWM驱动的开关管，实现单个元器件复用，减小了驱动器整体体积。

4、应用非抢占式并行多任务结构构建了MCU控制系统，实现了输出电压调控、柔化调光、定时调光、系统待机节能等功能。

5、试制实验样机，样机性能指标表现优秀，如高功率因数、高效率、精准恒流、 在极小体积内实现完整能量变换和数字控制等特点，验证了设计思想和设计方法，达到了设计要求。

I

目 录

摘要   I

ABSTRACT   Ⅲ

目录   V

CONTENTS   VⅡI

第一章 绪 论   1

1.1 研究背景   1

1.2 本课题来源和主要研究内容   6

1.2.1 本课题来源   6

1.2.2 本论文研究内容   6

第二章 高低色温白光PWM混色方式   7

2.1 白光LED结构及特性   7

2.2 LED调光调色方式   8

2.3 调光调色参数计算方法   9

2.3.1 混色光色品坐标及色温计算   9

2.3.2 双通道PWM占空比计算   10

2.4 现有调光调色控制策略存在的问题   11

2.5 基于时间混色法的PWM调光调色方式   13

2.6 本章小结   15

第三章 驱动电路设计   16

3.1 开关电源技术   16

3.1.1 常用拓扑   16

3.1.2 工作模式与控制方式   18

3.1.3 功率因数校正   20

3.2 驱动电路架构设计   23

3.3 单级反激式APFC电路设计   23

3.3.1 设计指标   23

3.3.2 OZ8023控制芯片与变换器线路   24

V

3.3.3 变压器   26

3.3.4 开关管与续流二极管   28

3.3.5 输出电容器   28

3.4 线性恒流与调光电路   29

3.5 输出电压调整电路   30

3.6 本章小结   31

第四章 MCU控制电路及软件设计   32

4.1 STM8S微控制器   32

4.2 基于任务的并行多任务结构   33

4.3 两路反相PWM信号产生方法   35

4.4 柔化调光算法   36

4.5 输出电压调控算法   39

4.6 其他功能实现   39

4.7 本章小结   39

第五章 实验结果   40

5.1 电气性能实验结果  40

5.2 调光调色控制实验结果   42

5.3 本章小结   43

总结与展望   44

参考文献   46

攻读学位期间发表论文及申请专利   53

学位论文独创性声明   54

学位论文版权使用授权声明   54

致谢   55

VI

第 一 章绪论

1.1 研 究 背 景

1962年，美国人Nick Holonyak,Jr.发明了世界上第一颗可见光发光二极管(LED), 这一颗LED拥有着红色光谱[1]。当时，发明者预言：“在未来，LED能够发出其他波长的光，拥有许多种不同颜色，并取代白炽灯”。在随后的数十年里，随着材料科学技术不断发展与突破，他的预言被一一实现：绿色光、红色光、红橙色光LED相继被发明和生产[2-7]。但关于蓝色光LED的研究却遭遇挫折，迟迟未能成功。直至1993年10月，世界上首颗具有实用价值的高亮度蓝色光LED才由日本人中村修二成功研制[8]。至此，LED已经具备高亮度RGB三基色光的发光能力，应用于全彩色显示已成为可能。而更为重要的是，高亮度蓝光LED的发明为白色光LED打下了基础，使其生产和应用成为现实(9-13),从此开启了LED照明应用时代。从而即将完全实现Nick Holonyak, Jr.的预言，取代白炽灯成为主流照明光源。

白光LED取代各类传统照明光源成为照明市场上的主流光源已是不争的事实，市 场渗透度连年扩大，产品已经涵盖路灯、泛光灯、庭院灯、洗墙灯、隧道灯、码头灯 等室外照明以及近乎所有类型的室内照明设备，现有市场规模以及潜在规模都十分巨 大。预计我国2015年LED照明市场产值将达到5000亿元，占据通用照明市场30%以 上市场份额，并有逐年上升之势。我们可以清晰地预见在不久的将来，白光LED将会 取代目前最流行的荧光灯、高压气体放电灯，成为市场占有度最高、用户接受度最好的照明光源。

LED照明产业的兴起，除了自身技术手段、生产工艺的锐意进取、不断革新、自 我完善以外，还得益于两大外部因素：其一是受到国家政策法规的鼓励，其二是受到消费者环境保护意识的推动。

出于国家环境治理、资源保护等方面考量，国家法规政策对照明设备能效以及环保 方面的要求变得日益严格，高要求、高规格的法规加快了老旧产品从市场淘汰的速度。同时随着老旧产品逐步退市，新兴照明技术在市场上有了生存空间，逐渐展露头角，蓬勃发展起来，LED照明技术即是其中之一。根据《关于逐步禁止进口和销售普通照明白炽灯的公告》要求，截至目前为止，60瓦及以上普通照明白炽灯已经被禁止进口  

1

和销售。而从明年10月1日起，禁止进口和销售的范围将扩展到15瓦及其以上功率 范围。随着计划稳步实施，白炽灯最终将完全退出普通民用照明市场。在此过程中，LED灯具成为了填补市场空缺的有生力量。

环境问题不仅仅是政府、环境保护组织需要关注和解决的问题，它关系到每个普通 消费者的切身利益。例如长期盘踞在全国各个地区的雾霾天气引起了当地居民肺部疾 病高发，柴静的“雾霾调查：穹顶之下”再次将公众视线聚焦在大气污染与治理问题上。从电力使用角度出发，我国用于生产电力的能源主要是煤炭，占总消耗能源比例高达70%以上!这意味着大部分电力生产过程中伴随着严重的空气污染和二氧化碳排放。全国照明用电量约占总用电量的12%,如果将照明光源的转化效率(光效、每瓦 流明数)提高，每年节省的电能将十分可观。减少电能消耗意味着降低发电量需求，减少燃煤消耗，减轻环境污染。这与当下的“能源革命”观念相契合，“节约能源意 味着创造能源”。在目前常见光源中，白炽灯光效最低，LED灯略高于荧光灯。后两者相比，荧光灯灯体中存在对人体和环境有害的汞蒸气，在发光光谱中存在对视力有 害的紫外辐射，而LED不存在上述缺点，所以LED是对环境、对使用者更为友好的光源。

总而言之，在内在驱动力和外在推动力的共同作用下，LED照明产业目前正处于 蓬勃发展时期，LED灯具受到市场普遍推崇和青睐[1419]。随着市场份额扩大和产品种 类细分，利用LED光源的高度可控性开发光度、色度可自由调节的高效能照明光源成为市场的新热点。

不同色温与亮度的光源给人们带来不同的感官体验，许多研究证实了光源的光度学 指标对人体存在着影响[20-22]。高色温、高亮度光源给人明快的视觉体验，如海岛风光，色彩明快、饱和度高，使得头脑清醒，有助于高效工作、激发创意；低色温、低亮度 光源给人温暖、平静的感觉，如烛光摇曳，令人身心放松，有助于调节生理节律、帮 助睡眠。这些效应能够帮助人们更好的工作、学习和休息：如在写字楼、办公室应用，工作时段采用高色温照明，提高工作效率，休息时段采用低色温照明，消除工作疲劳；又如，在景观照明应用，夏季时使用高色温照明，清凉消暑，冬季时使用低色温照明，驱除寒意。不同的应用场景对灯具的具体需求虽然不尽相同，但却共同要求同一款灯具必须同时具备光度、色度可独立调整互不干扰的能力，如此才能实现高精度光色度调节。目前世界大厂飞利浦、欧司朗、通用电气，台湾企业明纬，内地企业茂硕、英

2

 飞特等公司都积极投入到该类产品驱动电源的研发当中。

    LED光源的驱动方式大致分为以下三类；高压直接驱动[23,24]、线性驱动[25,261]、开关电源驱动[27,28]。

高压直接驱动方式将大量的LED芯片串联使用，使灯具的整体工作电压达到上百 伏特。配合电网电压条件对灯具进行合理设计，即可将电网电压通过简单整流后直接 连接到灯具上完成对灯具的驱动。这种驱动方式的优势在于结构简单、体积小、成本 低、效率高。但它的缺点十分明显：首先，通过整流后电网电压为正弦半波，这样的 电压加在LED上将使其发生周期性明暗变化，产生严重频闪。其次，LED器件的工作 电流与温度是正相关关系，在相同的电压下，温度越高流过LED的电流越大，流过电 流越大意味着消耗功率越高、温度越高，形成正反馈，这是一个恶性循环，最终破坏 LED器件。因此应用这种驱动方式时需要严谨地设计灯具散热系统，保证灯具长时间 工作不发生损坏。再次，LED发光能力仅与工作电流有关，随着工作时间增长、温度 上升，灯具光通量随之上升，使用体验不佳。最后，电网电压并完美的、稳定的正弦 形式交流电压。如我国220V相电压配电系统，在用电高峰时，用户得到的电压将达不 到220V,反之在用电低峰时，电压将超过220V,换言之在不同用电时段，通过高压 直接驱动方式的LED灯具将表现出亮度不同。另外在大负载接入电网时，会造成短时 间的电压严重波动，此时LED灯具将忽明忽暗，影响用户体验。因此这种驱动方式在要求较严格的应用场景中不常使用。

线性驱动有两种形式，其中一种与高压直接驱动相类似，通过大量LED芯片串联 提高整体工作电压来满足电网电压的要求，但区别在于加入了线性恒流电路，通过使 用可控功率器件分担部分电压，使得流过LED的最大电流保持恒定。这种方式有效地 解决了直接驱动方式无法控制工作电流的问题，限制了LED灯珠的最大功率，使灯珠 得到有效保护不至于因为过热而损毁。这种驱动形式的优点是可靠性较高、结构也比 较简单、体积较小、成本较低。它的缺点在于这种驱动方式仅仅是对最大工作电流做 了限制，并非真正意义上的恒流工作，因此依然存在着频闪现象。而另一种形式是在 对电网电压进行全波整流后接入一个大容量滤波电容，将正弦半波电压转换为高压脉 动直流电压，然后再通过可控功率器件构成线性电源对LED进行恒流驱动。这种形式 能够实现完全的恒流控制，但在设计时考虑到电网电压波动问题、LED芯片工作电压一致性问题，会保留较大设计裕量，另外LED在工作过程中其上压降会逐渐降低，这

3

将导致相当一部分电量被可控功率器件消耗，效率不高。线性驱动方式多用于小电流、小功率的应用场合。

开关电源驱动方式通过开关电源将交流电网电压转换为直流电源来为LED灯具提 供电能。开关电源作为一类独立的电能转换装置，已经广泛应用在工业控制、航空航 天、消费电子等领域。它能够实现恒压驱动、恒流驱动、电气隔离、功率因数校正、  雷击耐受等等功能，能够有效应对电网不稳定带来的种种问题，为LED提供可靠驱动 和全面保护。使用开关电源驱动方式的LED灯具效率高、灯珠寿命长、低频闪或者无 频闪现象。当然，开关电源驱动方式也存着一些缺点，如电路结构复杂，电磁干扰大、 设计和生产成本高等问题。综合来看，开关电源驱动方式拥有多种多样的拓扑结构及 其组合，能够应对各种功率级别的应用场合需求，在中、大功率LED照明应用中是首选的驱动方式，在低压大电流应用中更是表现突出。

早在真空电子管时代，人们就对交流电源转换直流电源的需求。在当时，电子管  的工作电压范围大、可耐受电压应力高，所以只需要将交流电压通过工频变压器变压， 再经过简单的桥式整流和电容滤波，将交流电压整流为带有明显电压波动的直流电压，向真空管电子设备提供电能。

图1- 1 线性稳压器结构

Fig.1- 1 Structure of linear regulator

随着晶体管的发明和应用，“粗糙”的直流电源已不能满足新兴电子器件对高品质直流电源的需求，人们需要电压纹波更低、品质更高的直流电源来满足晶体管设备的供电需求，线性稳压电源(简称线性电源)由此应运而生。线性电源在原有“粗糙”的直流电源后端增加电压调节装置，将输出电压波动控制在一个极小范围内。如图1-1

4

 所示，电压调节装置由电压采样电路、基准电压源、比较放大电路和功率晶体管构成。 比较电路将采样电路获取的电压与基准电压源提供的参考电压进行比较，得到误差信号，控制功率晶体管的导通状态，调整功率晶体管上压降使输出电压保持稳定。这类电源不仅能做恒压控制，还能通过变换采样电路，检测输出电流，实现恒流控制，衍生出线性恒流电源。无论是恒流型还是恒压型电源，内部功率晶体管始终处于放大工作状态，具有良好的动态响应特性，能够实现极低输出纹波，符合高品质电源的标准。随着各种电子设备普及，线性电源获得了极大发展，成为过去数十年里电源转换器的主流类型，至今仍是高端电源设备的首选。

线性电源自身也存在不足：第一，由于内部功率晶体管始终处于放大工作状态，

其上存在压降，在输入、输出电压相差较大时功率晶体管将消耗较多能量，电能转换 效率不高。在晶体管上消耗的能量导致其温度上升，散热问题突出；第二，线性电源 的工作方式决定了这类电源在直流-直流(DC-DC)转换时只能实现降压输出，即输出 电压必须低于输入电压，限制了应用范围；第三，将电网交流电压转换为低压直流电 时，需要使用工频变压器对交流电压进行预调节。工频变压器体积、重量大，直接影 响电源整体体积和重量。变压器的变压比不能改变，难以适应宽范围电网电压，降低了通用性，不同国家和地区必须使用对应的线性交直流转换电源。

航天技术的发展催生了一类新型电源技术。航天器中需要配备质量小、效率高的电源为设备供电，这对传统线性电源提出了严峻挑战，这是单纯线性电源不可能完成的任务。开关电源的概念以此为契机被提出，与线性电源不同，开关电源以“斩波”的方式对能量进行处理，以极高频率把能量进行“分割、打包”、传递、“组合”,最终满足所需的输出指标。开关电源同样使用了基准源、比较器、采样电路、功率晶体管等器件，但功率晶体管只工作在开通和截止两种状态，因而其上消耗的功率很低，大大提高了变换器的转换效率，开关电源因这种工作方式得名，区别于线性电源。此外，开关电源中使用高频变压器或者高频电感器，体积远远小于相同功率的线性电源。

最初的开关电源工作在音频范围内，人耳可以隐约听到磁性元件振动发出的高频 声波，尖锐的声音让人感到不适。随着半导体技术发展，MOSFET得到应用，开关电 源的工作频率已经远远超出了音频范围，消除了人耳的不适感。更高的工作频率让电 源中的磁性元件以及滤波电容体积变得更小，使得开关电源体积进一步减小。开关电源通过不同拓扑结构的组合应用，能够实现升压、降压、输出极性反转、功率因数校 

5

正等应用，因此开关电源获得了巨大成功。它已经深入到了人们生活的各个方面、无  处不在，为数以百亿计的电子设备提供电能转换。如今，LED照明产业正在蓬勃发展， 为开关电源产业提供了一个新的增长点和突破点，开关电源将在照明市场发挥巨大的推动作用。

1 .2本课题来源和主要研究内容

1.2.1 本课题来源

本课题来源：广东省佛山市某照明科技有限公司“调光调色LED驱动电源项目”

的企业研究课题。

1.2.2本论文研究内容

结合光色度可调LED光源驱动技术的研究、应用现状以及未来发展趋势，从项目

设计实践出发，本文主要做了包括以下几个内容的研究与设计工作：

1、 基于PWM的高低色温白光混色方式调光调色研究。论文中推导了控制时序与

混色光源光色度的对应关系，并提出一种高效、可靠、便于实际应用的控制策略；

2、 单级反激式APFC与线性稳压LED驱动器结合应用的研究。论文中推导了相

关公式，并给出了设计参数及元器件选型；

3、 编写微处理器控制软件；

4、 试制实验样机进行验证评估，测试关键性能指标，分析测试结果。 

6

第二章高低色温白光PWM混色方式

2.1 白光LED结构及特性

众所周知，白光是一种混色光，光谱中不存在单一频率的白色光。自然界中最常 见的白色光源是太阳，太阳发光的机理是黑体辐射发光，在其可见光光谱中包含着及  为丰富的颜色分布，在多种颜色光线混合后才呈现出人们所看到的白色。对黑体辐射 的研究给了我们色温的概念：绝对黑体的辐射和光源在可见区的辐射完全相同时，此 时黑体的温度就称此光源的色温[29-31]。当光源色温低时，可见光光谱大量分布在红橙 色区域，因此低色温光源表现出橙黄色。随着色温上升，光谱分布向蓝紫色方向移动，光源的颜色随之偏向蓝色。

在人造光源中，白炽灯与太阳最为接近，其发光机理与太阳相同，通过电能将热 白炽灯灯丝加热到数千度高温从而发出黄白色光。气体放电灯(包括荧光灯、高压汞 灯、高压钠灯等)是在灯体内充满某种放电气体，在其上施加电压，使其气体放电发 光，这种光源发出的光谱线单一，是很好的单色光源。而荧光灯能发出白光是由于在 灯管内壁的涂覆了混合荧光粉，荧光粉受到灯管内气体放电所产生的紫外线激发产生不同颜色的光，从而混色得到所需要的白色光。

LED结构基于二极管的PN结结构，在施加适当正向偏置电压条件下，PN结处有 大量载流子(电子-空穴对)复合，即导带电子从高能级向低能级价带跃迁，并通过光子的形式向外辐射能量。光子的频率仅由禁带宽度决定，因而LED的发光谱线很窄，并且仅由制作材料决定，这一特点与气体放电灯相似。那么如何在单颗芯片上实现白 色光LED呢?目前业内有三种方法实现。其一与荧光灯相类似，使用紫光或紫外光LED 芯片作为基础，在其表面涂覆三基色(红、绿、蓝)或是更多颜色的荧光粉，在高能光线的激发下生成混色白光[32];其二是以蓝光LED为基础，表面涂覆红色和绿色荧光粉，两种荧光粉受到蓝光激发产生红色、绿色光，并与未被荧光粉吸收的蓝色光混色形成白光[33];其三同样是以蓝光LED为基础，而在表面涂覆黄色荧光材料，蓝色与黄色互为补色，经混色后生成白色光[34]。从显色指数来看，方法一和方法二采用了三基 色配色，色彩还原度最高，显指最好。相较之下，方法三的光谱中缺乏红色光成分，因此表现稍弱。但由于目前技术限制，红色荧光材料的发光效率较低，严重影响LED灯珠整体光效，所以黄蓝光配色方案是目前业界的主流方案。