陈伟，林国庆，李俊

(福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350108)

1 引言

LED凭借其发光亮度好、电能利用率高等优点，被广泛应用于多种照明场合[1-3]。适合应用于大功率LED驱动电源的两级式结构前级实现功率因数校正，后级实现恒流输出，相对于单级更容易实现对LED调光。在后级结构中常用的LLC谐振变换器具有零电压开关、效率高等优点，但为变频控制，电感及高频变压器较难设计，变换器轻载效率较低，而且难于实现宽范围输出；CLCL谐振电路在恒定频率控制下具有输出恒流特性，控制简单，常用于大功率的LED驱动电源中。

在LED照明场合应用调光技术，不仅可以减少能源损耗，还可以改善视觉效果。目前，应用较为广泛的LED调光技术有模拟调光、可控硅调光以及PWM调光等[4]。人们越发期待照明系统的智能化与人性化，使用智能化的设备，如Zigbee技术[5-6]，对灯光的亮度等方面进行调节，结合科学管理和现代艺术来营造缤纷多彩的照明环境[7]。

本文基于CLCL恒流谐振网络的恒流特性，研究一种Zigbee无线通信技术与脉冲密度调制相结合的智能LED调光技术，实验结果表明在实现高功率因数的基础上，可以实现LED的调光控制。

2 电路与工作原理

图1所示为本文所设计的两级式驱动电路，由Boost PFC电路和半桥CLCL谐振变换器组成。Boost PFC实现功率因数校正，半桥CLCL谐振变换器为LED灯提供恒流驱动。

图1 两级式驱动电路

2.1 Boost PFC电路工作原理

图2为临界模式Boost PFC控制原理图，包含电压外环和电流内环，电压环实现恒压输出，电流环使输入电流峰值跟随输入电压，实现功率因数校正。

图2 BCM模式Boost PFC电路原理图

图3为工作在临界模式的Boost电感电流波形，图3(a)是半个工频周期的电感电流波形，图3(b)为一个开关周期的电感电流波形。

图3 Boost电感电流波形

2.2 半桥CLCL谐振变换器特性分析

如图4所示为半桥CLCL谐振变换器电路结构图，Q1、Q2组成电压型半桥开关网络，将PFC输出电压Udc转换成频率与半桥开关频率相同的高频方波信号。恒流网络由电容Cr，Cs电感Lr，Ls串并联组成，将开关网络的输出方波信号变换成高频交流信号。最后经过均流电容Cb和整流滤波电路后为两路LED负载提供恒定且均衡的工作电流。

图4 半桥CLCL谐振变换器电路结构图

当CLCL谐振网络工作在谐振频率时，原边电流只有基波分量向副边传送能量，其他各次谐波分量的电流增益几乎为零。因此采用基波分析法对CLCL谐振变换器进行分析。可得半桥CLCL谐振变换器交流基波等效模型，如图5所示。u1为谐振回路输入电压基波分量，其频率与开关频率相等，Req为LED等效负载折算到变压器原边的等效电阻。

图5 半桥CLCL谐振变换器交流基波等效模型

用向量法对上节得到的交流基波等效模型进行分析，可得到CLCL谐振网络的电流增益(MI)与基波角频率(ωs)、各谐振参数、等效负载(Req)之间的关系式:

3 控制策略

图6所示为控制电路结构图，将输出电流反馈引入到PFC控制电路，控制PFC电路主开关管工作，提高LED恒流精度，虚线框内为恒流网络的恒流控制与智能调光控制框图。

图6 控制电路结构图

3.1 脉冲密度调制原理

根据调光功能的设计要求，结合半桥CLCL谐振变换器的恒流工作特性，采用脉冲密度调制(Pulse Density Modulated，PDM)对输出电流进行调节，从而实现对LED灯的调光控制。图7为PDM调光控制原理图，um为调制波，ugs1，ugs2为Q1，Q2驱动波形。在调制频率范围内一部分时间(D/fm)连续控制Q1和Q2工作，用N表示在一定的调制周期内可以产生的总驱动脉冲个数，M为调制周期内输出的驱动脉冲个数。即可得:

图7 PDM调光控制原理

式中D=M/N为PDM调制比，式(2)表明，输出电流与调制比(D)近似成正比。在固定的周期内每增加或减小一个脉冲，调制比改变了1/N，因此调制周期越大输出的调光精度越高。本文采用的恒流频率为fs=100kHz即Q1和Q2的开关频率，选择的调制频率为fm=1kHz，此时PDM的调光分辨率约为1%。

3.2 Zigbee无线通信技术

Zigbee无线通信技术以低功耗、低成本和容量大等优点成为当今研究的热点。将Zigbee无线通信技术与PDM相结合实现对LED的智能调光。图8为Zigbee技术运用于LED照明系统的智能无线调光系统框图。

图8 Zigbee无线调光系统框图

驱动电源的调光过程如下:在没有调光指令时驱动电源满载输出，LED灯电流最大。当上位机发出调光信号，数字单片机捕捉到Zigbee终端模块发送的PWM调光信号后，做出相应的脉冲密度调制使LED灯电流平均值按照调制比(D)改变，实现了对LED灯智能调光控制。

3.3 调光程序设计

程序流程图如图9所示，软件设计主要是由主程序和各种子程序构成，首先要对各功能模块进行初始化，进入程序等待过程。接着进行过压保护，对输出电压采样分析判断电路输出是否过压。然后单片机接收到从Zigbee终端模块上输出的PWM调光信号，进入到调光中断子程序，将接收到的PWM调光信号，通过查表的方式转化为电流基准值和半桥驱动脉冲个数，最终产生相应的驱动信号，从而实现调光控制。

图9 程序流程图

4 实验结果

图10所示为不同输入电压下输入电压和电流波形，可以看出输入电流与输入电压相位基本一致，功率因数较高。图11为额定输出情况下，不同输入电压时Boost升压电感Lb的电流波形及展开图，可见电感电流工作在临界导电模式且峰值近似为正弦包络。

图10 输入电压、电流波形

图11 整流输出电压与电感Lb电流波形及展开图

为了验证调光方案的可行性，上位机发出调光信号，在输入电压为85V、220V、265V时分别测试了调光亮度为100%、75%、50%、25%的数据，如表1所示，输出电流平均值逐渐减小，基本呈线性关系。灯电流最大误差小于1.2%，可以实现智能调光。

表1 调光实测数据

如图12为额定灯电压，且PDM调制比分别为75%、50%、25%时半桥开关管Q2驱动电压波形和LED灯电流波形，其中ugs2为Q2驱动电压，Idim是调光时单路灯电流波形。

图12 调光过程中驱动电压ugs2和单路灯电流Idim波形

5 结论

本文设计了一种两级式LED驱动电源，针对CLCL恒流谐振网络特性研究了一种智能LED调光控制策略，将Zigbee无线通信技术与脉冲密度调制相结合，实现对LED的智能调光控制，最后搭建一台108W的原理样机，实验结果表明所研究的变换器可以实现高功率因数，在进行调光时灯电流最大误差小于1.2%，验证了所提方案的可行性。