PWM控制电路设计

PWM控制电路设计CYBERNET 应用系统事业部LED照明作为新一代照明受到了广泛的关注。

仅仅依靠LED封装并不能制作出好的照明灯具。

本文主要从电子电路、热分析、光学方面阐述了如何运用LED特性进行设计。

在上一期的“LED驱动电路设计－基础篇”中，介绍了LED的电子特性和基本的驱动电路。

遗憾的是，阻抗型驱动电路和恒电流源型驱动电路，大围输入电压和大电流中性能并不强，有时并不能发挥出LED的性能。

相反，用脉冲调制方法驱动LED电路，能够发挥LED的多个优点。

这次主要针对运用脉冲调制的驱动电路进行说明。

PWM是什么？脉冲调制英文表示是Pulse Width Modulation，简称PWM。

PWM是调节脉冲波占空比的一种方式。

如图1所示，脉冲的占空比可以用脉冲周期、On-time、Off-time表示，如下公式：占空比＝On-time（脉冲的High时间）/ 脉冲的一个周期（On-time + Off-time）Tsw（一周期）可以是开关周期，也可以是Fsw=1/Tsw的开关频率。

图1 Pulse Width Modulation (PWM)在运用PWM的驱动电路中，可以通过增减占空比，控制脉冲一个周期的平均值。

运用该原理，如果能控制电路上的开关设计（半导体管、MOSFET、IGBT等）的打开时间（关闭时间），就能够调节LED电流的效率。

这就是接下来要介绍的PWM控制。

PWM信号的应用PWM控制电路的一个特征是只要改变脉冲幅度就能控制各种输出。

图2的降压电路帮助理解PWM的控制原理。

在这个电路中，将24V的输入电压转换成12V，需要增加负载。

负载就是单纯的阻抗。

电压转换电路的方法有很多，运用PWM信号的效果如何呢？图2 降压电路在图2的降压电路中取PWM控制电路，如图3所示。

MOSFEL作为开关设计使用。

当PWM 信号的转换频率数为20kHz时，转换周期为50μs。

PWM信号为High的时候，开关为On，电流从输入端流经负载。

当PWM信号处于Low状态时，开关Off，没有输入和输出，电流也断掉。

这里尝试将PWM信号的占空比固定在50％，施加在开关中。

开关开着的时候电流和电压施加到负载上。

开关关着的时候因为没有电流，所以负载的供给电压为零。

如图4绿色的波形、V（OUT）可在负载中看到输出电压。

图3 运用PWM信号的降压电路图4 解析结果占空比：50％输入电压是直流，通过脉冲信号得到输出电压在负载的前端（开关的后端）插入平滑电路，就可以得到如图4所示的茶色的波形。

输出脉冲的平均值约12V时，直流电压可以供给负载。

但如果不是12V，而是想得到6V的输出电压时，应该怎么做？PWM控制的优点实际就在此。

只需改变脉冲幅度就可以了。

实际上，只需设定占空比为25％就可以得到平均输出6V的电压。

图5和图6表示的是这种情况下的电路和解析结果。

图5 运用PWM信号的降压电路图6 解析结果占空比约25％以上结果标明，降压电路中，输入输出电压的关系可以表示为：输出电压＝PWM信号的占空比×输入电压也就是说只要改变PWM信号的占空比，就可以得到任意的输出电压。

接下来介绍在实际产品设计中运用降压转换器电路驱动LED的方法。

PWM驱动电路例子如图7所示，在前述的降压电路中追加线圈、电容、二极管的电路。

在这里没有考虑反馈电路。

这里使用的是飞利浦照明的LUXEON系列的LXM3-PW71 LED。

LED（负载）的前端插入的线圈和电容构成平滑电路，通过转换使得脉冲输出平均化。

线圈前端的二极管即使在开关关着的时候也能持续向线圈供给电流。

降压转换器通常作为电压转换电路使用，但是在驱动LED时，则需要控制电流而不是电压。

图7 PWM驱动电路降压转换的例子确认图7的电路构成。

当脉冲信号处于On的状态，也就是开关设计处于On的状态时，电流按照输入信号－开关－线圈－负载的顺序流动。

当开关设计处于Off的状态时，电流按照二极管－线圈－负载的顺序流动。

因此要控制线圈中的电流实际上等同于控制LED中的电流。

在正极和负极间施加3.0V的电压的话，可以从数据库中看到，LXM3-PW71的电流约350mA。

输入电压为12V时，设定脉冲波的占空比为25％（12V×0.25＝3V），就能得到3V的电压。

当转换频率数为100kHz时，转换周期为10μs，脉冲幅度为2.5μs。

但是，负载只在顺阻抗的情况下成立，实际在负载中运用LED时，根据电流大小负载特性也有变化，电流约为350mA 时，脉冲幅度调制约为3.36μs。

验证电路的结果如图8所示。

图8 PWM驱动电路的验证结果LED中的电流发生变化，线圈中的电流也变化。

通过传感电路检测线圈电流的变化，只要控制开关的打开时间，就能够使得LED负载中的电流恒定。

增加PWM的占空比，就能增加LED 中的电流，也能增加亮度。

比较阻抗驱动型电路和恒定电流源型驱动电路，改变PWM的占空比比改变阻抗值和电路常量更高效，也因此能了解PWM控制的便利性。

这次介绍的降压转换器运用于LED驱动中需要电压比输入电压低的情况。

根据照明灯具、用途不同，有时需要同时驱动多个LED，这样会出现所有的LED驱动中的必需电压比输入电压高。

这种情况下，就需要使用能够制作比输入电压高的电压的升压转换器。

在LED照明中，有效利用电力的同时还需要小型化。

照明灯具中，将输入电压转为LED驱动电压的时候，会出现转换损耗，转换损耗越大越容易引起热的问题。

同时，如果开关频率数增加，变压器和线圈会变小，虽然整个线路板能够实现小型化，但由于高开关频率数会导致转换损耗，出现高次谐波问题。

因此，在LED的PWM驱动电路中，力争实现高效和少零部件。

为了保持照明灯具的亮度稳定或者调节亮度，需要在传感器中检测负载电流、进行控制演算、调整脉冲的占空比的反馈控制电路。

本文没有对反馈控制电路进行介绍，但是值得注意的是，反馈控制电路包含电压控制、迟滞控制、类似迟滞控制、电流控制等多种。

各种控制方式有优点也有缺点，需要我们根据照明灯具的作法和适用的电路方式选择最佳的控制方式。

PWM控制电路的基本构成及工作原理开关电源一般都采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点是频率高，效率高，功率密度高，可靠性高。

然而，由于其开关器件工作在高频通断状态，高频的快速瞬变过程本身就是一电磁骚扰（EMD）源，它产生的EMI信号有很宽的频率围，又有一定的幅度。

若把这种电源直接用于数字设备，则设备产生的EMI信号会变得更加强烈和复杂。

本文从开关电源的工作原理出发，探讨抑制传导干扰的EMI滤波器的设计以及对辐射EMI的抑制。

1 开关电源产生EMI的机理数字设备中的逻辑关系是用脉冲信号来表示的。

为便于分析，把这种脉冲信号适当简化，用图1所示的脉冲串表示。

根据傅里叶级数展开的方法，可用式（1）计算出信号所有各次谐波的电平。

式中：An为脉冲中第n次谐波的电平；Vo为脉冲的电平；T为脉冲串的周期；tw为脉冲宽度；tr为脉冲的上升时间和下降时间。

开关电源具有各式各样的电路形式，但它们的核心部分都是一个高电压、大电流的受控脉冲信号源。

假定某PWM开关电源脉冲信号的主要参数为：Vo=500V，T=2×10－5s，tw=10－5s，tr=0.4×10－6s，则其谐波电平如图2所示。

图2中开关电源脉冲信号产生的谐波电平，对于其他电子设备来说即是EMI信号，这些谐波电平可以从对电源线的传导干扰（频率围为0.15～30MHz）和电场辐射干扰（频率围为30～1000MHz）的测量中反映出来。

在图2中，基波电平约160dBμV，500MHz约30dBμV，所以，要把开关电源的EMI电平都控制在标准规定的限值，是有一定难度的。

2 开关电源EMI滤波器的电路设计当开关电源的谐波电平在低频段（频率围0.15～30MHz）表现在电源线上时，称之为传导干扰。

要抑制传导干扰相对比较容易，只要使用适当的EMI滤波器，就能将其在电源线上的EMI信号电平抑制在相关标准规定的限值。

要使EMI滤波器对EMI信号有最佳的衰减性能，则滤波器阻抗应与电源阻抗失配，失配越厉害，实现的衰减越理想，得到的插入损耗特性就越好。

也就是说，如果噪音源阻是低阻抗的，则与之对接的EMI滤波器的输入阻抗应该是高阻抗（如电感量很大的串联电感）；如果噪音源阻是高阻抗的，则EMI滤波器的输入阻抗应该是低阻抗（如容量很大的并联电容）。

这个原则也是设计抑制开关电源EMI 滤波器必须遵循的。

几乎所有设备的传导干扰都包含共模噪音和差模噪音，开关电源也不例外。

共模干扰是由于载流导体与之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的；而差模干扰则是由于载流导体之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位反向的。

通常，线路上干扰电压的这两种分量是同时存在的。

由于线路阻抗的不平衡，两种分量在传输中会互相转变，情况十分复杂。

典型的EMI滤波器包含了共模杂讯和差模杂讯两部分的抑制电路，如图3所示。

图中：差模抑制电容Cx1，Cx20.1～0.47μF；差模抑制电感L1，L2100～130μH；共模抑制电容Cy1，Cy2<10000pF；共模抑制电感L15～25mH。

设计时，必须使共模滤波电路和差模滤波电路的谐振频率明显低于开关电源的工作频率，一般要低于10kHz，即在实际使用中，由于设备所产生的共模和差模的成分不一样，可适当增加或减少滤波元件。

具体电路的调整一般要经过EMI试验后才能有满意的结果，安装滤波电路时一定要保证接地良好，并且输入端和输出端要良好隔离，否则，起不到滤波的效果。

开关电源所产生的干扰以共模干扰为主，在设计滤波电路时可尝试去掉差模电感，再增加一级共模滤波电感。

常采用如图4所示的滤波电路，可使开关电源的传导干扰下降了近30dB，比CISOR22标准的限值低了近6dB以上。

还有一个设计原则是不要过于追求滤波效果而造成成本过高，只要达到EMC标准的限值要求并有一定的余量（一般可控制在6dB左右）即可。

3 辐射EMI的抑制措施如前所述，开关电源是一个很强的骚扰源，它来源于开关器件的高频通断和输出整流二极管反向恢复。

很强的电磁骚扰信号通过空间辐射和电源线的传导而干扰邻近的敏感设备。

除了功率开关管和高频整流二极管外，产生辐射干扰的主要元器件还有脉冲变压器及滤波电感等。

虽然，功率开关管的快速通断给开关电源带来了更高的效益，但是，也带来了更强的高频辐射。

要降低辐射干扰，可应用电压缓冲电路，如在开关管两端并联RCD缓冲电路，或电流缓冲电路，如在开关管的集电极上串联20～80μH的电感。

电感在功率开关管导通时能避免集电极电流突然增大，同时也可以减少整流电路中冲击电流的影响。

功率开关管的集电极是一个强干扰源，开关管的散热片应接到开关管的发射极上，以确保集电极与散热片之间由于分布电容而产生的电流流入主电路中。