本項目是基于PFC理論、電流環(huán)控制理論來實現(xiàn)一個帶PFC功能的專用數(shù)字LED驅動，使用FPGA進行控制，可以得到高的可靠性、傳輸簡單性能指標良好、控制方式先進和外圍元件很少等優(yōu)點。為固態(tài)照明LED領域提供更可靠經(jīng)濟實用的照明驅動。
一、設計目標
隨著節(jié)能的概念日益深入人心，作為固態(tài)照明的的新型發(fā)光材料LED取得長足的進步。在歐洲，他們專門制訂了COST五年行動計劃，它提出新型光源要符合三個條件：高效、節(jié)能：不使用有害于環(huán)境的材料;模擬自然光，其顯色指數(shù)接近100。美國有專家提出，半導體已在電子學方面完成了一場革命，第二場革命將在照明領域進行，到2020年左右。固體光源的發(fā)光效率將達到2001m/w，能符合COST計劃提出的對新光源的要求，這樣，在國際上掀起了LED照明的熱潮。LED的最大潛在應用是普通照明。隨著技術的進步，高亮度自光LED正一步步進軍潛力巨大的燈光照明市場。
對于大功率電壓管理，為了防止加在負載上的電壓和電流波形之間存在相位差導致的結果之一是供電效率降低，即產(chǎn)生所要求的電力需要輸入更大的電力;導致的另外一個結果而且是更嚴重的后果，那就是電壓和電流的波形差產(chǎn)生過多的高次諧波。大量的高次諧波反饋到主輸入線(電網(wǎng))，造成電網(wǎng)被高次諧波污染成為惡性事故的隱患。同時，這種高次諧波也會擾亂控制系統(tǒng)里的敏感低壓電路。在歐洲有專門的標準要求電源管理必須有PFC(Power factor correct)來提高電源的質量。
同時作為排名2007年最值得期待的十大熱門半導體技術第二的數(shù)字電源無疑也是現(xiàn)在的熱門技術之一，由于數(shù)字電源具有更高的可靠性，外圍元件少，利于控制等優(yōu)點，數(shù)字電源越來越受到電源管理界的注意。
基于以上三個原因，我們提出了基于FPGA調光的帶PFC功能的專用數(shù)字LED驅動這個項目。它將適用于路燈、景觀以及家庭和工業(yè)照明，有廣闊的應用前景。
二、設計思路
當電壓通過整流橋后，由H2模塊對輸入電壓波形進行采樣;用一個Windowed ADC對輸入電流進行采樣，然后進行處理，使輸入電流跟隨輸入電壓的波形，這樣就達到了電流跟隨電壓波形的目的，從而實現(xiàn)PFC校正的功能。由于對LED的驅動需要恒流，在反饋端，H1通過對電壓的取樣，達到了恒定輸出電流的目的，從而實現(xiàn)了LED恒流的專用驅動。
在框圖中，電流環(huán)路和電壓環(huán)路由FPGA進行控制，這樣會達到一個很好的控制方式。
圖 1 整體系統(tǒng)框圖
三、系統(tǒng)設計
1、電壓環(huán)路的設計
從圖一我們可以看見，從輸出采樣的ADC產(chǎn)生了一個通過電壓環(huán)路補償器的電壓誤差信號ev[n],電壓補償器同時產(chǎn)生一個控制信號u[n],它和輸入端采樣進行的半周期的電壓正弦信號Vg(t)進行相乘，為電流環(huán)路的補償產(chǎn)生一個參考電流。
電壓控制環(huán)路應用簡單，響應速度很快，它由一個基于PI的一個補償器和一個Windowed ADC組成。其輸入輸出特性見圖2，e[n]圍繞著Vref電壓波動，當輸出電壓小于設定的電壓時，e[n]為正，通過電壓補償器，乘法器等調節(jié)輸出占空比。同樣當輸出電壓大于設定電壓時，可以通過調節(jié)占空比將輸出電壓降低，達到了穩(wěn)定輸出電壓及電流的功能。同時為了得到更好的動態(tài)響應，△VQ|e=0比其他的值大，為輸出確定一個可以接受的輸出紋波，當振蕩超出其范圍的時候，e[n]就會其作用穩(wěn)定輸出電壓。
圖2 Delay-line based windowed ADC[!--empirenews.page--]
圖3為ADC的結構框圖，它由兩個延遲線，一個快速存儲器和一個誤差解碼器組成。傳輸延遲單元由D觸發(fā)器組成，延遲時間的大小由其供電電壓決定。第一個延遲線有N+1個單元，其傳輸時間由Vref決定。另一個有N+M個單元，它的延遲時間和輸出PFC電壓成反比。以此來實現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓和電流的功能。
圖3 Windowed ADC
2、電流環(huán)路的設計
此電路環(huán)路主要是實現(xiàn)PFC的功能，同時對輸出電壓和電流的穩(wěn)定進行調節(jié)。輸入電壓被采樣以后和輸出電壓的反饋信號u[n]進行相乘，生成信號被傳送到另外一個Windowed ADC中作為基準，同時這個Windowed ADC用來采樣輸入電流的大小，采樣進來的值和基準進行比較，然后生成ei[n]信號進入電流環(huán)路補償器，來產(chǎn)生一個d[n]到DPWM(digital-pulse width modulator)，然后控制輸出的MOSFET管，形成一個回路來使電流跟隨電壓波形和對輸出電壓和電流起穩(wěn)定作用。
3、系統(tǒng)設計
整個系統(tǒng)中，我們從對交流電整流后，在switching converter這個模塊里面，我們采用反激式的開關電源拓撲模式，可以使輸出達到想要的電壓或者電流值，低電壓的輸出對LED的可靠工作是一個很好的保證。反激式電路拓撲由于具有使用元件少、本身固有的效率比較高的特點，在功率比較低的場合很受歡迎。然后由FPGA進行控制MOSFET的占空比，配合變壓器進行PFC同時得到一個恒流輸出以驅動大功率白光LED。為達到較高的安全性，交流輸入和直流輸出采用光偶進行隔離。
4、變壓器設計
磁性元件的設計對性能非常關鍵。首先根據(jù)相應的場合和工作頻率選擇磁芯材料，我們選擇鐵氧體作為磁芯材料，因為鐵氧體的磁感應強度比較大，較小的磁芯就可以提供較大的功率，同時也要滿足國際電工委員會(IEC)制定的標準。
然后是確定磁芯的尺寸，以滿足電源能提供的輸出功率要求，同時確定磁芯是否加氣隙，然后計算每個繞組所要的扎數(shù)。確定輸出電壓的精度是否滿足要求，繞組是否適合所選擇的磁芯尺寸。然后繞制變壓器，在實驗階段，需要驗證工作時的電壓尖峰、交叉調整量、輸出精度和紋波、RFI等，如果需要的話需要反復修改，最終要和FPGA控制部分相結合，達到設計的要求。
5、電源管理
對FPGA的供電，我們采用從變壓器輔助繞組引入電流對芯片進行供電，而不需要額外的電源。簡化了系統(tǒng)結構，降低了成本。
四、總結
本文提出了基于FPGA的LED驅動設計方案，達到較高的效率和功率因數(shù)，十分適合用作路燈、景觀以及家庭和工業(yè)照明。在固態(tài)照明呼聲越來越高的今天具有廣闊的前景。此方案作為固態(tài)照明的實現(xiàn)方案，可以直接應用到各種場合，且可以作為進一步開發(fā)數(shù)字控制LED驅動芯片的實驗和驗證。
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