基于PWM调光的LED驱动器设计

杨子腾　刘琨　杨昆

摘  要：针对室内照明需要改造控制线路才能实现调光的问题，文章设计了一款基于PWM调光的LED驱动器。通过在驱动器中加入控制芯片，该驱动器能够检测电源开关的关断数进行调光，因此仅需利用原电源开关即可进行调光控制。最后进行了相应实验，并对数据进行了分析，证明了设计的LED驱动器可以实现从5%～100%六档的亮度调节，调光稳定，无噪声和闪烁，功率因数均在0.55以上。因此，该驱动器具有电路简单、调光稳定、功率因数高等优点，具有一定的实用价值。

关键词：PWM调光;LED驱动器;恒流驱动;占空比

中图分类号：TN312+.8;TM923.34      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）02-0032-05

Abstract：For the indoor lighting needs to modify the control circuit to achieve the problem of dimming，this topic designed a LED driver based on PWM dimming. By adding a control chip to the driver，the driver can detect the number of turn-offs of the power switch for dimming，so the dimming control can be performed only by using the original power switch. Finally，the corresponding experiments were carried out，and the data was analyzed. It was proved that the designed LED driver can achieve brightness adjustment from 5% to 100% in six gears，stable dimming，no noise and flicker，and the power factor is above 0.55. Therefore，the driver has the advantages of simple circuit，stable dimming，high power factor，and the like，and has certain practical value.

Keywords：PWM dimming;LED driver;constant current driver;duty circle

0  引  言

LED（发光二极管，Light Emitting Diode）凭借其高效率、小体积、节能环保等优势逐渐取代白炽灯占据主流市场[1]，同时LED具有的高可控性也使其能够进一步发挥节能的优势。随着人们对照明需求的提高，具有调光功能的LED产品将更加适应市场[2]。

温度是影响LED寿命的主要因素之一，调光可以有效降低LED光源使用时的温度，维持光通量以及延长使用寿命。LED驱动器作为LED灯具必要的组成部分，可以转换交流电为稳定的低压恒流电供LED工作，优秀的驱动器直接决定LED的照明质量，同时可以完成包括调光等一系列功能实现。常见的调光方式有三种：模拟调光，可控硅（TRIAC）调光和PWM（脉冲宽度调制，Pulse width modulation）调光[3]。模拟调光通过控制输出电流的大小来改变灯光亮度，简单易操作但是会发生色温偏移[4，5]。可控硅调光是通过斩切正弦波改变效率进行调光，由于早期应用，较多所以可以延用原有控制线路来节省成本[6，7]。杨巍巍等人[8]设计了一款原边控制的LED驱动器，具有结构简单、控制稳定的优点，其功率因数高于0.9，效率在0.8以上。郭振玄等人[9]设计了相角检测电路以解决可控硅调光过程中出现的灯光闪烁、调光范围小的问题，同时将可控硅切相角度转化成对应的PWM信号，从而解决色谱偏移的问题。实验结果表明驱动电源与可控硅调控兼容良好，占空比可以做到在0.17～1.00范围内。Moon等人[10]提出了一种调光反馈控制方法，与可控硅调光具有高兼容性，电路结构简单，性能优良。实验结果表明调光器在改变角度时，控制方法很好地控制了电流输出并保持电流稳定，其中在171°相位角时，达到最大效率，为83.7%，之后效率随角度减少而减少。这些方法都有效地解决了可控硅兼容问题，但是并不能改善整体电路的功率因数[11]。

PWM調光是通过调节脉冲信号的占空比来改变输出的平均电流以达到调光目的，其优点是具有较广泛的调光范围并且不会出现色温偏离的现象。周锦荣等人[12]基于PWM与ZigBee（紫蜂协议）建立了冷暖白光LED双通道智能混光系统，最终得到目标色的色温相对误差在8.5以下，光通量相对误差在17%以下。Cheng等人[13]提出一种路灯驱动器，将AC-DC（交流-直流）变换器与耦合电感器和半桥型LLC DC-DC谐振转换器集成到单级电路拓扑中，保证了驱动器的输出稳定并且效率高效，同时可以实现100%到20%亮度调节。

目前大部分研究多是通过硬件设计来实现功能，这样不仅会增加硬件成本，还会增加改进电路功能的难度。本文提出了一种基于PWM调光的LED驱动器，该驱动器中内置有程序控制的单片机，可以读取输入电流的开断情况从而控制调光，因此驱动器可以在使用少量外围元器件的情况下实现使用普通家用开关控制调光，这样不仅可以节省电路设计的成本，同时可以减少改造控制线路的时间与成本。

1  LED驱动器原理及硬件电路设计

1.1  LED驱动器原理

LED是直流单向导通器件，因此不能直接使用220V交流市电来供电，需要在中间加入转换电路将交流电转换成稳定的直流电，这个转换电路也就是LED驱动器。LED驱动器分恒压驱动和恒流驱动，由于LED对电流的变化较为敏感，因此市面上多使用恒流驱动。

在设计驱动器时通常需要考虑光通量、显色度、光效等性能指标。光通量指LED灯单位时间内散发的能够引起人眼视觉的总光功率，单位是流明（Lm）。光效常指单位功率下释放的光通量指数，高光效意味着提供相同的通量而功耗更少。显色度则是指光源对物体的显色能力[14]。常见的模拟调光会造成色温偏移，这样不仅会降低显色度，还会降低人们的照明舒适度。PWM调光通过不断高频切换通电与断电的状态，改变通断电流的比例来控制调光，这种方式能够有效避免色温偏移的现象。因此在设计驱动器时不仅要考虑功耗问题，还需要考虑调光对于LED燈的影响。

1.2  驱动器的硬件电路设计

LED驱动器由全桥滤波变换器、LED恒流驱动和信号采集处理模块组成，其硬件电路结构如图1所示。

驱动器可以只使用普通的电源开关就能够实现调光功能，省去了改造控制线路的成本与时间。家庭照明系统多直接使用电网进行供电，市电经由电源开关S1流入LED驱动器。全桥滤波变换器负责整流滤波，将高压交流电转化成低压直流电输送给LED恒流驱动模块和信号采集处理模块。

LED恒流驱动模块负责将输入的电信号转化成不随电压变化的恒流电输出给LED光源模块。由于LED的电气特性，使得LED对直流变化十分敏感，一旦输入的电流发生剧烈变化，照明也会出现肉眼可见的闪烁现象，严重影响照明质量，因此稳定的直流输入对LED驱动模块而言及其重要。该模块的主控芯片为深圳稳先微电子生产的WS9442P LED高精度LED恒流驱动芯片，该芯片只需要少量的外围器件就可以实现恒流输出，能够保证输出电流稳定不抖动。并且该芯片外置有PWM调光引脚，可以由此来调节占空比大小，改变LED亮度。全桥滤波模变换器和LED恒流驱动模块构成LED驱动器的主要部分，在不加入信号采集处理模块时，仅靠这两部分便可以实现LED的正常供电。

信号采集处理模块负责判断调光模式，同时将调光信号输送给LED恒流驱动模块使其改变输出的电流大小。该模块主要由微处理器构成，一端与全桥滤波变换器相连，不仅用来为该模块供电，同时根据电流输入的关断来检测电源开关S1的关断。根据S1的关断次数进行调光和定光，这样无需额外安装控制电路就可以实现调光。另外一端连接恒流芯片WS9442P的调光端DIM脚，模块内部判断完毕后输送调光信号至LED恒流驱动模块，从而改变PWM占空比，达到调光的目的。

2  LED驱动器的软件设计

软件主要是记录电源开关的关断次数来控制PWM的占空比，程序框图如图2所示，其流程主要为：

（1）第一次打开开关的时候，LED正常点亮，其亮度为100%输出下的最大亮度。

（2）在第一次关断开关后，LED灯熄灭，驱动器内部由电容为单片机短暂供电，当关断时间超过电容放电时间后，功能重置。

（3）在电容放电时间内打开开关，单片机检测到一次开关断开又闭合，此时进入调光模式，不断改变占空比使LED循环变光，直到开关再一次断开。

（4）开关再一次关断又闭合后，单片机将占空比确定为关断前最后一次调光结果，LED亮度定为关断前最后一次调光的亮度，完成调光操作。

利用程序将调光分为六个档位，其中以一档为最大电流输出时的档位（100.0%占空比），二档为50.0%占空比时对应的电流输出，三档为25.0%占空比时对应的电流输出，四挡为12.5%，五档为7.5%，六档为5.0%，调光时每档切换时间大致为1秒。

3  实验结果与分析

3.1  实验步骤

实验选取飞利浦照明公司市面上销售较多的12 W、6.5 W、5 W和3.5 W日光色和暖白色等八种球泡灯各五个。用本文所设计的驱动器替换原灯泡的驱动装置。实验使用大恒光电的光电色热测试系统来测量光通量，使用华知科电子的参数测量仪来测量消耗功率，将仪器定标后把光源固定在积分球上关紧并打开开关将其点亮，每两分钟记录一次光通量和消耗功率，持续18分钟。

3.2  实验结果

3.2.1  调光结果

实验过程中，使用开关操作调光，无需使用调光器。调光过程稳定，在第一次打开后再次断开又闭合，LED开始循环调光，调光过程稳定，亮度变化明显，每次开断和持续点亮过程中没有出现闪烁和噪声。调光可以实现较大范围的亮度变化，并且六档的功率因数在0.55～0.60之间。

3.2.2  光通量及功率变化分析

表1是驱动各种瓦数的灯对应的六档的点亮18分钟后的平均光通量，其中一档表示最大电流输出，六档表示最低电流输出。表2是驱动各种瓦数的灯对应的六档的点亮18分钟后的平均消耗功率。从各档的光通量可以看出来，驱动器成功实现了使用普通开关进行调光。每一个档位之间光通量变化明显，从表2的功率变化也可以看出，六个档位的输出也基本上与设定的占空比对应。

对比日光灯和暖白光灯的亮度会发现，相同档位输出时在消耗功率相近的情况下暖白光的光通量要小于日光，其原因在于暖白光LED灯表面的荧光粉多于日光LED灯，在相同输出下更多的荧光粉会造成更多的损耗[15]，因此会有光通量的减少。

图3和图4为12 W灯的光通量随时间的变化。其余瓦数的LED变化与这两种灯大体一致。

结合各档位的方差数可知，各瓦数的灯都在一档时有较大波动，也就是在最大电流输出时，光通量有较大的衰降。

图5和图6对比了各瓦数的灯一档时的光通量变化，可以看出在一档时各种瓦数的灯在前10分钟里面都有较大幅度的衰降，一直到10分钟左右光通量才趋于稳定。从对应的消耗功率可看出来，这是由于较高的功率输出导致LED产生较大的结温，从而影响到光电转换导致光衰严重。这种情况可以从另外几个档数灯的光衰情况看出来。由表2可以看出来，六档的消耗功率也基本不随着时间的变化而改变，LED灯本身内部的变化并不影响驱动板的功率消耗。

除去一档的光通量以外，二档及以后几档的亮度变化不大，其中二档的光通量有些许波动但是并不影响太多，后几档的光通量几乎是稳定的。

3.2.3  各档位的光效变化

图7和图8是各瓦数的灯在各个档位的光通量和功率的比值，即光效。由图可以看出，三档的光效平均最高，六档的光效最低。

在三档时，光效最高为120 Lm/W，而最小也能达到80 Lm/W，相对于最高亮度时有较大提升，可见调光LED在很多场景可以有效提高光效转换，节省能源消耗。

4  结  论

本文提出了一种基于PWM调光的LED驱动器，该驱动器额外加入了采取电源开断信号的信号处理采集模块，主要由单片机构成依靠内置程序判断需要进入的调光模式。凭借此模块，驱动器可以直接使用普通家用的电源开关实现调光，这样可以有效节省成本。同时驱动器结构简单，电路成本低廉，能够实现5%～100%的亮度调节，其功率因数在0.55以上，调光稳定，同时无闪烁和噪音。

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作者簡介：杨子腾（1995.08-），男，汉族，湖北黄冈人，硕士，研究方向：照明及光源系统;刘琨（1984.05-），男，汉族，河北保定人，讲师，博士研究生，研究方向：LED灯研制开发;杨昆（1976.11-），男，汉族，河北清苑人，教授，博士研究生，研究方向：LED灯研制开发。