大热的LED驱动设计，简化系统，轻松实现

三、系统设计

1、电压环路的设计

从图一我们可以看见，从输出采样的ADC产生了一个通过电压环路补偿器的电压误差信号ev[n],电压补偿器同时产生一个控制信号u[n],它和输入端采样进行的半周期的电压正弦信号Vg（t）进行相乘，为电流环路的补偿产生一个参考电流。

电压控制环路应用简单，响应速度很快，它由一个基于PI的一个补偿器和一个Windowed ADC组成。其输入输出特性见图2，e[n]围绕着Vref电压波动，当输出电压小于设定的电压时，e[n]为正，通过电压补偿器，乘法器等调节输出占空比。同样当输出电压大于设定电压时，可以通过调节占空比将输出电压降低，达到了稳定输出电压及电流的功能。同时为了得到更好的动态响应，△VQ|e=0比其他的值大，为输出确定一个可以接受的输出纹波，当振荡超出其范围的时候，e[n]就会其作用稳定输出电压。

图2 Delay-line based windowed ADC

图3为ADC的结构框图，它由两个延迟线，一个快速存储器和一个误差解码器组成。传输延迟单元由D触发器组成，延迟时间的大小由其供电电压决定。第一个延迟线有N+1个单元，其传输时间由Vref决定。另一个有N+M个单元，它的延迟时间和输出PFC电压成反比。以此来实现稳定输出电压和电流的功能。

图3 Windowed ADC

2、电流环路的设计

此电路环路主要是实现PFC的功能，同时对输出电压和电流的稳定进行调节。输入电压被采样以后和输出电压的反馈信号u[n]进行相乘，生成信号被传送到另外一个Windowed ADC中作为基准，同时这个Windowed ADC用来采样输入电流的大小，采样进来的值和基准进行比较，然后生成ei[n]信号进入电流环路补偿器，来产生一个d[n]到DPWM（digital-pulse width modulator），然后控制输出的MOSFET管，形成一个回路来使电流跟随电压波形和对输出电压和电流起稳定作用。

3、系统设计

整个系统中，我们从对交流电整流后，在switching converter这个模块里面，我们采用反激式的开关电源拓扑模式，可以使输出达到想要的电压或者电流值，低电压的输出对LED的可靠工作是一个很好的保证。反激式电路拓扑由于具有使用元件少、本身固有的效率比较高的特点，在功率比较低的场合很受欢迎。然后由FPGA进行控制MOSFET的占空比，配合变压器进行PFC同时得到一个恒流输出以驱动大功率白光LED。为达到较高的安全性，交流输入和直流输出采用光偶进行隔离。

4、变压器设计

磁性元件的设计对性能非常关键。首先根据相应的场合和工作频率选择磁芯材料，我们选择铁氧体作为磁芯材料，因为铁氧体的磁感应强度比较大，较小的磁芯就可以提供较大的功率，同时也要满足国际电工委员会（IEC）制定的标准。

然后是确定磁芯的尺寸，以满足电源能提供的输出功率要求，同时确定磁芯是否加气隙，然后计算每个绕组所要的扎数。确定输出电压的精度是否满足要求，绕组是否适合所选择的磁芯尺寸。然后绕制变压器，在实验阶段，需要验证工作时的电压尖峰、交叉调整量、输出精度和纹波、RFI等，如果需要的话需要反复修改，最终要和FPGA控制部分相结合，达到设计的要求。

5、电源管理

对FPGA的供电，我们采用从变压器辅助绕组引入电流对芯片进行供电，而不需要额外的电源。简化了系统结构，降低了成本。

四、总结

本文提出了基于FPGA的LED驱动设计方案，达到较高的效率和功率因数，十分适合用作路灯、景观以及家庭和工业照明。在固态照明呼声越来越高的今天具有广阔的前景。此方案作为固态照明的实现方案，可以直接应用到各种场合，且可以作为进一步开发数字控制LED驱动芯片的实验和验证。

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