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[摘 要] 介绍了室内环境的照明设计方案，围绕输入功率、光输出、光效、使用寿命、环境温度等LED灯相关参数要求展开。根据LED灯的参数计算满足要求所需的数量，再考察恒压供电和恒流供电，确定LED颗粒的供电方式；然后考察模拟调光和PWM调光，从中确定LED的调光方式，并对课题的双路PWM创新点设计LED驱动电路。
[关 键 词] LED照明；驱动电路；PWM调光
[中图分类号] G718 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2017）19-0061-01
一、驅动电路的设计要求
相较于传统的照明方式，LED照明有很多优点，比如节能、光效高、色彩丰富、寿命长、响应速度快等。LED的寿命可长达 50000 小时以上，同时白光LED的发光效率目前超过60lm/W，具有相当大的优势。虽然在现阶段，LED的成本仍然偏高，不过随着科技的进步，前景会越来越光明。
虽然LED还无法取代传统的照明灯具，但是这一天迟早会到来。本文介绍了将高功率LED应用到灯具中的一般流程，并以TI的TPS61161-Q1产品为例，重点讨论PWM调光驱动的设计和利用双路输出巧妙提高PWM调光频率。
（一）确定设计目标
LED灯必须达到或超过目标应用的照明要求。所以，在设计之前，必须确定照明要求。设计时需要LED中的光输出、功率、光效、寿命最高、环境温度等的一些特征。其中，光输出和功率是最重要的两个参数，可用来确定驱动电路的设计方案。
（二）计算LED数量
设计过程中的一个重要参数是满足设计目标所需的 LED 数量。其他设计都是围绕着 LED数量展开，它直接影响光输出、功耗以及灯具的成本。考虑光系统、热系统及电气系统的效率，本设计光输出实际效率大约为76.5%，实际光输出为850lm。LED则使用 4000-K色温的 XLamp XR-E LED，350mA最小光通量为67.2 lm。LED数量因为13颗，考虑到国外习俗，14颗是个比较合适的选择。
二、驱动电路的设计方案
为了使LED亮度随使用场景的不同而改变，LED驱动电路也需支持亮度调节。LED的亮度主要由通过其的正向电流控制，而LED上的电压降变化并不均匀，故调光性能的优化要从精确控制电流方面入手。
（一）调光方式的选择
市面上主流的调光方式有模拟调光和PWM调光。模拟调光是线性调光模式，通过成比例的调节LED正向电流来改变亮度，易于设计，也没有潜在的EMC/EMI风险。但是根据LED的特性，随着LED正向电流的改变，人眼能感受到明显的色谱偏移。因此，LED制造商都会给出推荐的正向电流范围。
为了获得最好的亮度和色谱，市面上一般采用的是PWM调光，通过调节LED正向电流的占空比来改变亮度。如果调光频率高于人眼的敏感范围（>100Hz），我们可以对导通时间和关闭时间进行平均来计算有效亮度。
由于现成LED调光芯片已上市销售，并有参考电路设计，所以，使用现成的LED调光芯片将使设计周期最短。所有零部件都已通过EMI和安规测试，一般而言更具有成本优势。可用的开发资源和目标效率通常决定了电气系统的选择。如今，在高功率LED越来越多的情况下，总体灯具光效的提高受LED本身的影响比受驱动器的影响要大。
（二）驱动IC的选择
由于PWM调光是一个纯数字的调光方式，在普通的调光方案中，开关频率范围小于500 kHz，陶瓷电容的压电效应和绕线线圈的震荡，离散低频调光周期可能会给系统带来可以感知的噪声。当开关频率在100 kHz和500 kHz之间时，人眼感受不到闪烁，但是会造成眼睛疲劳、头痛等情况。故此，高于500 kHz的调光频率是必须的，以防止EMI、噪音和颜闪效应等。
市面上的LED驱动IC，频率越高，价格越高，两个低频IC的价格往往远低于两倍频率的IC。但我们可以采用两颗低频IC分别驱动两组LED颗粒，理论上能够做到与单个高频IC相同的效果。
TPS61161-Q1是一个升压转换器，内置40V额定的FET，可驱动多达10个LED串联。升压转换器以600 kHz固定开关频率运行，能有效减少输出纹波，提高转换效率。默认LED电流由外部传感器电阻Rset设置。在工作期间，可以通过CTRL引脚控制LED电流。在数字或PWM模式下，TPS61161-Q1不会出现突发电流，可避免输出电容器产生可闻的噪声。该IC还具有集成的开路LED保护功能，以防止输出超过最大额定值。
（三）外围电路的设计
升压转换器的过流限制规定了最大输入电流，从而限制了给定输入电压的最大输入功率。由于功率转换损耗，最大输出功率小于最大输入功率。因此，输入电压、输出电压和效率都可以改变最大电流输出。电流限制钳位峰值为电感电流，需要减去纹波以获得最大直流电流。纹波电流是开关的频率，电感值和占空比的函数。
电感影响电路的稳态运行、瞬态特性和环路稳定性。这些因素是电力调节器设计中最重要的组成部分。电感器有三个重要的规格参数：电感值、直流电阻和饱和电流，因此，仅考虑电感值是不够的。
电感值决定电感纹波电流。当电感电流接近饱和电平时，其电感可以降低20%至35%，这取决于电感器厂商如何定义饱和电流。当电感电流在每个开关周期结束前下降到零时，使用电感值较小的电感器会产生不连续的PWM。这降低了升压转换器的最大输出电流，还会产生大的输入电压纹波，降低了效率。大电感值提供更多的输出电流和更高的转换效率。
参考文献：
[1]廖志凌，阮新波.半导体照明工程的现状与发展趋势[J].电工技术学报，2006（9）.
[2]高猛.基于PWM控制的升压型LED驱动电路设计[D].华南理工大学，2014.
[关 键 词] LED照明；驱动电路；PWM调光
[中图分类号] G718 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2017）19-0061-01
一、驅动电路的设计要求
相较于传统的照明方式，LED照明有很多优点，比如节能、光效高、色彩丰富、寿命长、响应速度快等。LED的寿命可长达 50000 小时以上，同时白光LED的发光效率目前超过60lm/W，具有相当大的优势。虽然在现阶段，LED的成本仍然偏高，不过随着科技的进步，前景会越来越光明。
虽然LED还无法取代传统的照明灯具，但是这一天迟早会到来。本文介绍了将高功率LED应用到灯具中的一般流程，并以TI的TPS61161-Q1产品为例，重点讨论PWM调光驱动的设计和利用双路输出巧妙提高PWM调光频率。
（一）确定设计目标
LED灯必须达到或超过目标应用的照明要求。所以，在设计之前，必须确定照明要求。设计时需要LED中的光输出、功率、光效、寿命最高、环境温度等的一些特征。其中，光输出和功率是最重要的两个参数，可用来确定驱动电路的设计方案。
（二）计算LED数量
设计过程中的一个重要参数是满足设计目标所需的 LED 数量。其他设计都是围绕着 LED数量展开，它直接影响光输出、功耗以及灯具的成本。考虑光系统、热系统及电气系统的效率，本设计光输出实际效率大约为76.5%，实际光输出为850lm。LED则使用 4000-K色温的 XLamp XR-E LED，350mA最小光通量为67.2 lm。LED数量因为13颗，考虑到国外习俗，14颗是个比较合适的选择。
二、驱动电路的设计方案
为了使LED亮度随使用场景的不同而改变，LED驱动电路也需支持亮度调节。LED的亮度主要由通过其的正向电流控制，而LED上的电压降变化并不均匀，故调光性能的优化要从精确控制电流方面入手。
（一）调光方式的选择
市面上主流的调光方式有模拟调光和PWM调光。模拟调光是线性调光模式，通过成比例的调节LED正向电流来改变亮度，易于设计，也没有潜在的EMC/EMI风险。但是根据LED的特性，随着LED正向电流的改变，人眼能感受到明显的色谱偏移。因此，LED制造商都会给出推荐的正向电流范围。
为了获得最好的亮度和色谱，市面上一般采用的是PWM调光，通过调节LED正向电流的占空比来改变亮度。如果调光频率高于人眼的敏感范围（>100Hz），我们可以对导通时间和关闭时间进行平均来计算有效亮度。
由于现成LED调光芯片已上市销售，并有参考电路设计，所以，使用现成的LED调光芯片将使设计周期最短。所有零部件都已通过EMI和安规测试，一般而言更具有成本优势。可用的开发资源和目标效率通常决定了电气系统的选择。如今，在高功率LED越来越多的情况下，总体灯具光效的提高受LED本身的影响比受驱动器的影响要大。
（二）驱动IC的选择
由于PWM调光是一个纯数字的调光方式，在普通的调光方案中，开关频率范围小于500 kHz，陶瓷电容的压电效应和绕线线圈的震荡，离散低频调光周期可能会给系统带来可以感知的噪声。当开关频率在100 kHz和500 kHz之间时，人眼感受不到闪烁，但是会造成眼睛疲劳、头痛等情况。故此，高于500 kHz的调光频率是必须的，以防止EMI、噪音和颜闪效应等。
市面上的LED驱动IC，频率越高，价格越高，两个低频IC的价格往往远低于两倍频率的IC。但我们可以采用两颗低频IC分别驱动两组LED颗粒，理论上能够做到与单个高频IC相同的效果。
TPS61161-Q1是一个升压转换器，内置40V额定的FET，可驱动多达10个LED串联。升压转换器以600 kHz固定开关频率运行，能有效减少输出纹波，提高转换效率。默认LED电流由外部传感器电阻Rset设置。在工作期间，可以通过CTRL引脚控制LED电流。在数字或PWM模式下，TPS61161-Q1不会出现突发电流，可避免输出电容器产生可闻的噪声。该IC还具有集成的开路LED保护功能，以防止输出超过最大额定值。
（三）外围电路的设计
升压转换器的过流限制规定了最大输入电流，从而限制了给定输入电压的最大输入功率。由于功率转换损耗，最大输出功率小于最大输入功率。因此，输入电压、输出电压和效率都可以改变最大电流输出。电流限制钳位峰值为电感电流，需要减去纹波以获得最大直流电流。纹波电流是开关的频率，电感值和占空比的函数。
电感影响电路的稳态运行、瞬态特性和环路稳定性。这些因素是电力调节器设计中最重要的组成部分。电感器有三个重要的规格参数：电感值、直流电阻和饱和电流，因此，仅考虑电感值是不够的。
电感值决定电感纹波电流。当电感电流接近饱和电平时，其电感可以降低20%至35%，这取决于电感器厂商如何定义饱和电流。当电感电流在每个开关周期结束前下降到零时，使用电感值较小的电感器会产生不连续的PWM。这降低了升压转换器的最大输出电流，还会产生大的输入电压纹波，降低了效率。大电感值提供更多的输出电流和更高的转换效率。
参考文献：
[1]廖志凌，阮新波.半导体照明工程的现状与发展趋势[J].电工技术学报，2006（9）.
[2]高猛.基于PWM控制的升压型LED驱动电路设计[D].华南理工大学，2014.