CN209419952U - 一种基于pwm的恒流调光驱动电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于PWM的恒流调光驱动电路，属于LED调光技术领域，包括驱动电源模块、通信模块和调光模块；驱动电源模块包括EMI滤波电路、PFC电路和降压恒流输出电路；调光模块包括MCU、LED灯串和调光电路，解决了为LED输出恒定的驱动电流，不仅能使得LED负载安全稳定的工作，而且还能利用脉宽调制技术精确控制流过LED灯串的电流的技术问题；用PWM调光从零到最光，都不会有闪烁的现象，不管调光程度有多大，允许LED一直在优化的和恒定的电流下工作，性能更高，调光输出功率采用了功率因数校正电路，不会牺牲功率因数而且能够降低电路的复杂性，使电路设计更加方便，成本降低。

Description

一种基于PWM的恒流调光驱动电路

技术领域

本实用新型属于LED驱动技术领域，尤其涉及一种基于PWM的恒流调光驱动电路。

背景技术

目前，无论哪一种电源一般情况下都不能直接给LED供电，必须要有前端驱动电路。白炽灯的端电压电流关系特性具有线性关系，能够用普通电压源进行驱动。LED与纯阻性的普通白炽灯不同，它的伏安特性曲线是指数形式的，也就是说LED的所加电压与电流的关系是非线性的，并且当电源的电压产生微小变化的时候通过LED负载的电流会产生很大变化。若也采用电压源给LED供电，电压稍微升高，电流就急剧增大，温升变大，严重时会导致LED灯损坏。因此LED不能像普通白炽灯采用电压源供电，采用恒流源可减小上述温升问题的影响，这就需要对LED设计专用的驱动电路来对电流进行恒定控制。保持电流的恒定性是保护LED的最好方式，因此LED驱动一般情况下是采用恒流源。

可控硅(TRIAC)，可控硅是非线性元件，是传统白炽灯的一种调光方式，通过调节其开放角将电网输入的正弦波电压斩掉一部分，可以调节电压和调节功率。可控硅调光器内部的核心是可控硅电路，AC 电压开始延迟一段时间电路导通，场效应管栅极触发，电流保持通过， TRIAC就保持导通状态，存在一个维持电流，电位计R2调整TRIAC 的相位角，C1电容器的电压超过DIAC的击穿电压后，可控硅在每个 AC电压前沿导通。TRIAC电流低于维持电流时关断，必须等到C1在下个半周期充电后再次导通。灯丝中的电压和电流与调光信号的相位角有很大关系，相位角的变化范围介于0-180度之间。而对LED进行调光时采用的TRIAC调光，一般是将TRIAC调光器接到离线式LED驱动电源AC的输入端，并且必须配置专门的电路。

对于容性负载的LED照明灯具来说，TRIAC调光器会带来如下不利影响：

1、TRIAC调光不可避免地会破坏功率因子，因为它采用截波方式进行调光，特别是深度调光时，功率因子会变得很低，并进而影响整个电网的质量。

2、会产生严重EMI干扰，因为当负载是容性时，可控硅导通截止会在输出电流波形上产生强烈突波，而这一突波电流会带来严重 EMI干扰。

3、会造成整个灯具的电源转换效率低下，当进行深度调光时，效率会低于20％。

4、与LED照明灯具不匹配，而这容易造成输出光闪烁问题，影响消费者使用体验，甚至会带来健康问题。

5、会带来严重的THD问题，而国际能源标准如EN61000-3-2开始要求严格的THD规范。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于PWM的恒流调光驱动电路，解决了为LED输出恒定的驱动电流，不仅能使得LED负载安全稳定的工作，而且还能利用脉宽调制技术精确控制流过LED灯串的电流的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于PWM的恒流调光驱动电路，包括驱动电源模块、通信模块和调光模块；驱动电源模块包括EMI滤波电路、PFC电路和降压恒流输出电路；调光模块包括MCU、LED灯串和调光电路；

EMI滤波电路包括电感L1、保险丝F1和电容C1，电感L1和电容 C1构成一个LC滤波器，电感L1的1脚和4脚为LC滤波器输入端、2 脚和3脚为LC滤波器输出端，电感L1的1脚和4脚连接市电，电容C1并联在电感L1的2脚和3脚之间，保险丝串联在所述LC滤波器输入端；

PFC电路的输入端连接电感L1的2脚和3脚，PFC电路的输出端连接降压恒流输出电路，降压恒流输出电路输出正电源；

通信模块与MCU电连接；

调光电路包括放大器U1A、光耦U2、二极管D8、二极管D7、场效应管Q4、电阻R14、电位器R16、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R18、电阻R20、电阻R23、电阻R19、电阻R17、电阻R24、电阻R21和接口P4，接口P4的1脚连接LED灯串的正极、2脚连接LED 灯串的负极、3脚连接正电源、4脚连接地线；

放大器U1A的2脚通过串联连接的电阻R24和电阻R21连接地线，电阻R24和电阻R21的连接节点还连接场效应管Q4的S极，放大器 U1A的3脚连接电位器R16的3脚，电位器R16的1脚通过电阻R14 连接正电源，放大器U1A的1脚通过电阻R11连接三极管Q2的发射极，二极管D8的正极连接放大器U1A的4脚、负极连接放大器U1A 的8脚，放大器U1A的4脚连接地线、8脚通过电阻R10连接接口 P4的3脚，放大器U1A的8脚还通过电阻R10连接二极管D7的正极，二极管D7的负极连接接口P4的1脚，三极管Q2的基极通过电阻R12连接三极管Q2的发射极，三极管Q2的基极还通过电阻R18 连接光耦U2的5脚，三极管Q2的集电极通过电阻R20连接光耦U2 的4脚，三极管Q2的集电极通过电阻R17连接场效应管Q4的G极，场效应管Q4的D极连接电容C13的负极，电容C13的正极连接接口 P4的3脚，电容C13的正极还连接二极管D7的正极，场效应管Q4 的D极还连接接口P4的2脚，光耦U2的4脚连接接口P4的4脚，光耦U2的1脚通过电阻R19连接MCU的PWM输出端，MCU的PWM 输出端还通过电阻R23连接地线，光耦U2的2脚连接地线。

优选的，所述LED灯串由数个串联连接的LED灯组成。

所述PFC电路和所述降压恒流输出电路由UC3854及其外围电路构成；

优选的，所述MCU的型号为ATmega8单片机；所述放大器U1A 的型号为LM358AN；所述通信模块的型号为MAX485CPA；所述光耦 U2的型号为4N25；所述场效应管Q4的型号为IRF640。

本实用新型所述的一种基于PWM的恒流调光驱动电路，解决了为 LED输出恒定的驱动电流，不仅能使得LED负载安全稳定的工作，而且还能利用脉宽调制技术精确控制流过LED灯串的电流的技术问题；本实用新型调光稳定，用PWM调光从零到最光，都不会有闪烁的现象，不管调光程度有多大，允许LED一直在优化的和恒定的电流下工作，性能更高，调光输出功率采用了功率因数校正电路，不会牺牲功率因数而且能够降低电路的复杂性，使电路设计更加方便，成本降低，用PWM调整占空比，不需要太多额外的控制电路成本，且本实用新型设计选用了Boost PFC作为APFC的电路拓扑，这种拓扑结构电路简单，滤波器的体积小，电感感抗小，进一步缩小成本。

附图说明

图1为本实用新型的原理图方框图；

图2是驱动电源模块的原理图方框图；

图3是EMI滤波电路的电路图；

图4是通信模块的电路图；

图5是调光电路的电路图。

具体实施方式

由图1-图5所示的一种基于PWM的恒流调光驱动电路，包括驱动电源模块、通信模块和调光模块；驱动电源模块包括EMI滤波电路、PFC电路和降压恒流输出电路；调光模块包括MCU、LED灯串和调光电路；

EMI滤波电路包括电感L1、保险丝F1和电容C1，电感L1和电容 C1构成一个LC滤波器，电感L1的1脚和4脚为LC滤波器输入端、2 脚和3脚为LC滤波器输出端，电感L1的1脚和4脚连接市电，电容C1并联在电感L1的2脚和3脚之间，保险丝串联在所述LC滤波器输入端；

本实用新型采用无源滤波，无源滤波中LC滤波适应性更强，且能够用在公路隧道系统等复杂环境之中，原理如图3所示，电感L1可以消除共模噪声，电感L1输出端的并联电容C1可以滤除串模干扰。

PFC电路的输入端连接电感L1的2脚和3脚，PFC电路的输出端连接降压恒流输出电路，降压恒流输出电路输出正电源；

PFC电路采用Boost PFC作为APFC的电路拓扑，Boost PFC这种拓扑结构电路简单，成本低，滤波器的体积也小，采用电流型控制，PF 值高，THD小，输入电流连续，开关管电压应力不超过输出电压，输出电压高于输入电压，可以用较小的电感。

通信模块与MCU电连接；

通信模块由MAX485CPA及其外围电路构成，如图4所示，其中芯片U3为MAX485CPA，接口P1为RS总线接口，其中A脚、B脚、Z 脚和Y脚分别对应连接RS总线对接计算机串口，芯片U3的1脚为接收器输出端。若A比B大200mV，R0为高；反之为低电平；芯片U3 的2脚为接收器输出使能端，与MCU的RXD连接。RE为低时，R0 有效；为高时，R0呈高阻态；芯片U3的3脚为驱动器输出使能端，与MCU的TXD连接；若DE＝1，驱动器输出A和B有效；若DE＝0，它们则呈高阻态；若驱动器输出有效，器件为线驱动器，反之为线接收器；芯片U3的4脚为驱动器输入端。DI＝0，有A＝0，B＝1；当DI＝1，则A＝1，B＝0；芯片U3的5脚为地、6脚为同相接收器输入和同相驱动器输出，接收差分信号；芯片U3的7脚为反相接收器输入和反相驱动器输出；芯片U3的8脚为电源端，接5V电源，其5V电源由外部稳压电源提供；

MCU的通信输出由MAX485变成差分信号送出去，外部RS485信号输入把差分的输入信号由MAX485送到单片机的RXD引脚。MAX485 在完成电平的转换的同时，也实现了逻辑的相互转换(正逻辑和负逻辑)。

调光电路包括放大器U1A、光耦U2、二极管D8、二极管D7、场效应管Q4、电阻R14、电位器R16、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R18、电阻R20、电阻R23、电阻R19、电阻R17、电阻R24、电阻R21和接口P4，接口P4的1脚连接LED灯串的正极、2脚连接LED 灯串的负极、3脚连接正电源、4脚连接地线；

放大器U1A的2脚通过串联连接的电阻R24和电阻R21连接地线，电阻R24和电阻R21的连接节点还连接场效应管Q4的S极，放大器 U1A的3脚连接电位器R16的3脚，电位器R16的1脚通过电阻R14 连接正电源，放大器U1A的1脚通过电阻R11连接三极管Q2的发射极，二极管D8的正极连接放大器U1A的4脚、负极连接放大器U1A 的8脚，放大器U1A的4脚连接地线、8脚通过电阻R10连接接口 P4的3脚，放大器U1A的8脚还通过电阻R10连接二极管D7的正极，二极管D7的负极连接接口P4的1脚，三极管Q2的基极通过电阻R12连接三极管Q2的发射极，三极管Q2的基极还通过电阻R18 连接光耦U2的5脚，三极管Q2的集电极通过电阻R20连接光耦U2 的4脚，三极管Q2的集电极通过电阻R17连接场效应管Q4的G极，场效应管Q4的D极连接电容C13的负极，电容C13的正极连接接口 P4的3脚，电容C13的正极还连接二极管D7的正极，场效应管Q4 的D极还连接接口P4的2脚，光耦U2的4脚连接接口P4的4脚，光耦U2的1脚通过电阻R19连接MCU的PWM输出端，MCU的PWM 输出端还通过电阻R23连接地线，光耦U2的2脚连接地线。

从MCU输出的PWM信号经过光耦4N25隔离，将Atmega8输出的PWM信号转化为0-5V的信号，以避免受控电路的高电压对主控芯片的干扰。当PWM方波脉冲由低电平变为高电平时，光耦4N25导通，PNP三极管Q2基极为低电平，三极管Q2导通，电阻R20分压增大，场效应管Q4栅极的电压升高，通过三极管Q2的电流增大，场效应管Q4打开，LED灯串所在电路形成闭合回路，LED被点亮；由于通过电阻R21的电流变大，使得电阻R21右端电压升高，也即集成运放LM358AN的反向输入端电压升高，LM358AN输入压差减小， 1脚输出电压也减小，由于光耦4N25保持导通，三极管Q2基极仍保持低电平，三极管Q2导通，场效应管Q4栅极电压降低，场效应管 Q4电流减小，电阻R21分压降低，LM358的2脚端电压降低与LM358 的3脚的基准电压比较放大，电阻R21右端电压也相应降低，这样就形成了负反馈电路，使通过二极管的电流保持恒定，这就是本电路恒流的基本原理。同理，当PWM方波脉冲由高电平变为低电平时，通过场效应管Q4的电流很小，发光二极管熄灭。PWM的占空比越大，通过场效应管Q4的平均电流越大，发光二极管被点亮的时间越长，从而达到调光的目的，将占空比划分为256级，用计算机软件控制不同的场效应管Q4通断时长从而达到无级调光的目的。图中电阻R20、电阻R23起稳压作用，电阻R24、电阻R17、电阻R11、电阻R19起限流作用，电位器R16是可调电阻，可手动调节滑动变阻器R16的基准电压从而控制发光二极管的亮度。

调光电路实现LED亮度调节的原理如下：MCU引脚产生控制输出，通过ATmega8输出PWM信号，经过4N25光耦隔离和放大电路反馈放大后控制场效应管开断，从而控制LED灯具亮度。同时把后面工作电路中变化的电压信号通过光耦的原端发光二极管转变成光信号照射到次端的光敏二极管从而改变光敏二极管的电阻，再通过这个电阻的变化去控制开关电源，完成了隔离和反馈控制的作用。本实用新型用IRF640作为LED驱动器开关恒流电路的开关管，它的Vds能承受最高200V的电压，漏极电流最大可以通过18A，Vgs最高为4V，能使用于高强度电流通过的电路。

ATmega8输出PWM信号是通过自身的IO口输出PWM信号。

LM358为双运算放大器，适用于电源电压范围很宽的单电源使用，它的直流增益较大，本实用新型利用LM358将反馈电压与基准电压比较放大输出给IRF640。开关电源的光耦主要作用是隔离、开关电路和提供反馈信号。经过滤波之后的驱动电源给光耦提供电源，当输出电压低于稳压管电压时信号光耦接通，加大占空比，使得输出电压升高；反之则关断光耦减小占空比，使得输出电压降低。当驱动电源的负载超载或者开关电路出现故障时，就不会提供给光耦电源，光耦所在的开关电路就不能起振，保护开关管不被击穿烧毁。

优选的，所述LED灯串由数个串联连接的LED灯组成。

所述PFC电路和所述降压恒流输出电路由UC3854及其外围电路构成；所述UC3854及其外围电路为现有技术，故不详细描述。

优选的，所述MCU的型号为ATmega8单片机；所述放大器U1A 的型号为LM358AN；所述通信模块的型号为MAX485CPA；所述光耦 U2的型号为4N25；所述场效应管Q4的型号为IRF640；三极管Q2 的型号为A1015。

本实用新型所述的一种基于PWM的恒流调光驱动电路，解决了为 LED输出恒定的驱动电流，不仅能使得LED负载安全稳定的工作，而且还能利用脉宽调制技术精确控制流过LED灯串的电流的技术问题；本实用新型调光稳定，用PWM调光从零到最光，都不会有闪烁的现象，不管调光程度有多大，允许LED一直在优化的和恒定的电流下工作，性能更高，调光输出功率采用了功率因数校正电路，不会牺牲功率因数而且能够降低电路的复杂性，使电路设计更加方便，成本降低，用PWM调整占空比，不需要太多额外的控制电路成本，且本实用新型设计选用了Boost PFC作为APFC的电路拓扑，这种拓扑结构电路简单，滤波器的体积小，电感感抗小，进一步缩小成本。

Claims (4)

1.一种基于PWM的恒流调光驱动电路，其特征在于：包括驱动电源模块、通信模块和调光模块；驱动电源模块包括EMI滤波电路、PFC电路和降压恒流输出电路；调光模块包括MCU、LED灯串和调光电路；

EMI滤波电路包括电感L1、保险丝F1和电容C1，电感L1和电容C1构成一个LC滤波器，电感L1的1脚和4脚为LC滤波器输入端、2脚和3脚为LC滤波器输出端，电感L1的1脚和4脚连接市电，电容C1并联在电感L1的2脚和3脚之间，保险丝串联在所述LC滤波器输入端；

PFC电路的输入端连接电感L1的2脚和3脚，PFC电路的输出端连接降压恒流输出电路，降压恒流输出电路输出正电源；

通信模块与MCU电连接；

调光电路包括放大器U1A、光耦U2、二极管D8、二极管D7、场效应管Q4、电阻R14、电位器R16、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R18、电阻R20、电阻R23、电阻R19、电阻R17、电阻R24、电阻R21和接口P4，接口P4的1脚连接LED灯串的正极、2脚连接LED灯串的负极、3脚连接正电源、4脚连接地线；

放大器U1A的2脚通过串联连接的电阻R24和电阻R21连接地线，电阻R24和电阻R21的连接节点还连接场效应管Q4的S极，放大器U1A的3脚连接电位器R16的3脚，电位器R16的1脚通过电阻R14连接正电源，放大器U1A的1脚通过电阻R11连接三极管Q2的发射极，二极管D8的正极连接放大器U1A的4脚、负极连接放大器U1A的8脚，放大器U1A的4脚连接地线、8脚通过电阻R10连接接口P4的3脚，放大器U1A的8脚还通过电阻R10连接二极管D7的正极，二极管D7的负极连接接口P4的1脚，三极管Q2的基极通过电阻R12连接三极管Q2的发射极，三极管Q2的基极还通过电阻R18连接光耦U2的5脚，三极管Q2的集电极通过电阻R20连接光耦U2的4脚，三极管Q2的集电极通过电阻R17连接场效应管Q4的G极，场效应管Q4的D极连接电容C13的负极，电容C13的正极连接接口P4的3脚，电容C13的正极还连接二极管D7的正极，场效应管Q4的D极还连接接口P4的2脚，光耦U2的4脚连接接口P4的4脚，光耦U2的1脚通过电阻R19连接MCU的PWM输出端，MCU的PWM输出端还通过电阻R23连接地线，光耦U2的2脚连接地线。

2.如权利要求1所述的一种基于PWM的恒流调光驱动电路，其特征在于：所述LED灯串由数个串联连接的LED灯组成。

3.如权利要求1所述的一种基于PWM的恒流调光驱动电路，其特征在于：所述PFC电路和所述降压恒流输出电路由UC3854及其外围电路构成。

4.如权利要求1所述的一种基于PWM的恒流调光驱动电路，其特征在于：所述MCU的型号为ATmega8单片机；所述放大器U1A的型号为LM358AN；所述通信模块的型号为MAX485CPA；所述光耦U2的型号为4N25；所述场效应管Q4的型号为IRF640。