大功率LED燈具電源驅(qū)動(dòng)的分析與研究

1、大功率LE D 燈具電源驅(qū)動(dòng)的分析與研究公文禮(西安科靈自動(dòng)化科技有限公司,西安710119摘要:LE D 燈具的散熱和電源驅(qū)動(dòng)一直是制約其應(yīng)用發(fā)展的兩大難題,該文通過對大功率LE D 光源的特性和燈具對驅(qū)動(dòng)電源要求的分析,結(jié)合現(xiàn)階段應(yīng)用比較成熟的幾種LE D 驅(qū)動(dòng)電源方案的研究,說明了在燈具設(shè)計(jì)時(shí),除了解決好LED 燈具的散熱外,不論采用哪種驅(qū)動(dòng)方式,都應(yīng)該做到真正的恒流驅(qū)動(dòng)控制,這樣才能夠保證LE D 燈具持續(xù)可靠穩(wěn)定地工作,從而減少LE D 光衰,延長燈具的使用壽命。關(guān)鍵詞:電源驅(qū)動(dòng);工作特性;線性驅(qū)動(dòng);開關(guān)電源;P WM 控制The Analysis and Study of Hi g

2、h 2power LE D Lamps Power Supply Dri verGong W en li(X i an Keling A uto m ation Technology Co .,L td,X i an 710119Abstract:The app licati on and devel opment of H igh 2power LE D lighting al w ays be restricted by t w o bigest p r oble m s which are heat dissi pati on and power 2driven .I n this pa

3、per,the characteristics of high power LED light s ource and the perfor mance require ment of driving power is analyzed,and combined with the study of many p resent more mature p r ogra m of the LE D drive power,t o say that,in the lighting design,besides t o s olve the heat dissi pati on of LED ligh

4、ting,t o ensure that,in the lighting design,besides t o s olve the heat dissi pati on of LE D lighting,t o ensure that the true constant 2current drive contr ol at any drive mode is necessary,s o as t o make sure the LED lighting work continuously,reliably and stability,t o reduce the decline of LED

5、 light s ource,t o extend the la mp s life .Keywords:power drive;operating characteristics;linear drive;s witching po wer supp ly;P WM contr ol0引言LED 作為第四代新型光源,具有使用壽命長、發(fā)光效率高、功耗低、啟動(dòng)時(shí)間短、顯色指數(shù)高、工作溫度低、結(jié)構(gòu)牢固、不怕震動(dòng)、方向性好、工作電壓低、無紫外輻射、重量輕等眾多優(yōu)點(diǎn)。已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。特別是40W 以下的大功率LE D 工礦照明已經(jīng)伴隨著國家節(jié)能減排的號召得到了普及和應(yīng)用,但由于路燈、隧道燈等

6、大型LE D 燈具正處于研制和實(shí)驗(yàn)階段,所以對于電源的設(shè)計(jì)和性能上的提高也就有了迫切的需求。1大功率LE D 燈具對電源驅(qū)動(dòng)的技術(shù)要求根據(jù)照明燈具的設(shè)計(jì)規(guī)范并結(jié)合LE D 的電氣性能要求,在設(shè)計(jì)LE D 驅(qū)動(dòng)電源電路時(shí)要滿足以下幾點(diǎn)。1.1電路工作要高可靠性LE D 燈具的長壽命特性決定與其配套的驅(qū)動(dòng)電源,也要能夠長期穩(wěn)定可靠地工作。1.2高效率驅(qū)動(dòng)電路是一種專為LED 供電的特種電源,除具 有簡單的電路結(jié)構(gòu)、較小的占用體積外,要有較高的轉(zhuǎn)換效率。電源的效率高了,它的功耗也就小,在燈具內(nèi)發(fā)熱量就小,也就降低了燈具的溫升。由于LED 的發(fā)光效率隨著LED溫度的升高而下降,所以對LED 的散熱非常

7、重要,也就對延緩LE D的光衰有利。1.3高功率因數(shù)功率因數(shù)是電網(wǎng)對負(fù)載的要求。一般70W以下的用電器,沒有強(qiáng)制性指標(biāo)。雖然功率不大的單個(gè)用電器功率因數(shù)低一點(diǎn)對電網(wǎng)的影響不大,但在用電高峰期,同類負(fù)載太集中,會(huì)對電網(wǎng)產(chǎn)生較嚴(yán)重的影響,所以勢必對功率因數(shù)方面有一定的指標(biāo)要求。1.4驅(qū)動(dòng)方式一般比較合理的驅(qū)動(dòng)方式有兩種:一種是一個(gè)恒壓源供多個(gè)恒流源,每個(gè)恒流源單獨(dú)給每路LE D供電。這種方式,組合靈活,一路LED故障,不影響其他LED的工作,但成本會(huì)略高一點(diǎn)。另一種是直接恒流供電,燈具的LED串聯(lián)或并聯(lián)組合。它的優(yōu)點(diǎn)是成本低一點(diǎn),但靈活性差,同時(shí)因LE D個(gè)體特性的差異容易導(dǎo)致LED自身電流電壓分

8、配的不均,從而影響了自身的壽命。多路恒流輸出供電方式,成本較低且性能較好。這也是目前大多數(shù)路燈驅(qū)動(dòng)的主流方向。1.5浪涌保護(hù)LED抗浪涌的能力是比較差的,特別是抗反向電壓能力,加強(qiáng)這方面的保護(hù)也很重要,特別是LE D路燈。由于電網(wǎng)負(fù)載的啟甩和雷擊的感應(yīng),電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)侵入各種浪涌,有些浪涌會(huì)導(dǎo)致LE D的損壞。因此LED驅(qū)動(dòng)電源在設(shè)計(jì)時(shí)要有抑制浪涌的侵入,保護(hù)LED不被損壞的能力。1.6保護(hù)功能電源除了常規(guī)的保護(hù)功能外,最好在恒流輸出中增加LED溫度負(fù)反饋功能,以防止LE D溫度過高;在異常狀態(tài)(LE D開路、短路、驅(qū)動(dòng)電路故障時(shí),電路能夠?qū)ψ陨砗蚅E D起到良好的保護(hù)作用。1.7防護(hù)方面由于燈具

9、大多為戶外安裝,所以燈具結(jié)構(gòu)上要防水、防潮,外殼要耐高低溫劇變。1.8壽命驅(qū)動(dòng)電源的壽命要與LE D的壽命相匹配;驅(qū)動(dòng)電路的輸出電參數(shù)(電流、電壓要與被驅(qū)動(dòng)的LE D組合的技術(shù)參數(shù)相匹配,同時(shí)提供較高精度的恒流控制、合適的限壓功能;如果多路輸出時(shí),每一路的輸出應(yīng)該能夠單獨(dú)控制;某些特定場所,還要具有線性度較好的調(diào)光功能,來滿足不同時(shí)段對LE D發(fā)光亮度調(diào)節(jié)的要求。1.9其他要求驅(qū)動(dòng)電源要符合安規(guī)和電磁兼容等方面的要求。2大功率LE D的工作特性圖1為正向?qū)▔航?V f和正向電流(If的非線性關(guān)系曲線圖。由曲線圖中可知,當(dāng)正向電壓超過某個(gè)閾值(導(dǎo)通電壓之后,可近似認(rèn)為,If隨著V f的上升而急

10、劇上升;由于大功率LED是低電壓、大電流的發(fā)光器件,當(dāng)前大功率LE D的最高If可達(dá)1A,而V f 一般為24V 。圖1正向壓降(V f和正向電流(If非線性關(guān)系曲線圖由于大功率LED的光特性通常被描述為電流(If的函數(shù),而不是電壓(V f的函數(shù)。加上LED生產(chǎn)工藝和溫度的不同,大功率LED的正向壓降(V f變化范圍會(huì)出現(xiàn)比較大的波動(dòng)(最大可達(dá)1V以上,而由圖1中的V f2If曲線可知,V f的微小變化會(huì)引起較大的If變化;其LED發(fā)光的強(qiáng)度由流過LED 的電流決定,電流過強(qiáng)會(huì)引起LED的衰減,電流過弱會(huì)影響LED的發(fā)光強(qiáng)度。所以,采用恒壓源驅(qū)動(dòng)不能保證LED亮度的一致性,并且影響LED的可靠

11、性和壽命。因此,大功率的LED只有采用恒流源驅(qū)動(dòng),才能保證大功率LED使用的安全性,同時(shí)達(dá)到理想的發(fā)光強(qiáng)度。圖2是LED的光通量(l m和溫度(的關(guān)系曲線,由圖2可知光通量與溫度成反比,溫度的變化對LED的波長也有一定的影響,因此,良好的散熱是LED保持恒定亮度的保證。所以設(shè)計(jì)電源時(shí),要將電源自身影響燈具熱耗的因素考慮在內(nèi)。 圖2LE D 的光通量(l m 和溫度(的關(guān)系曲線3現(xiàn)有幾種LE D 驅(qū)動(dòng)方案的分析和研究由于目前單顆大功率LE D 比較成熟的應(yīng)用也只能做到3W 或者5W 。盡管市場上有10W 以上的大功率LED 光源,但也是通過1W 芯片串并組合集成的方法來實(shí)現(xiàn)的;所以驅(qū)動(dòng)電源也就是

12、滿足多顆13W 的LE D 串聯(lián)或者并聯(lián),提供額定的恒流電流,來達(dá)到驅(qū)動(dòng)LED 光源穩(wěn)定可靠的工作目的。因此根據(jù)傳統(tǒng)的電源衍變而來的恒流LE D 驅(qū)動(dòng)電源也就有以下幾種方案。3.1線性驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用線性驅(qū)動(dòng)應(yīng)用是一種最為簡單也最直接的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用方式。在大功率LE D 光源的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中,雖然存在著效率低、亮度不穩(wěn)定、溫度高等問題,但是由于其電路簡單、體積小巧,能滿足一般要求,因此在一些要求不高的場合應(yīng)用較多,比如草坪燈、高速路護(hù)欄燈等 。圖3簡單線型LE D 驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)用如圖3所示,傳統(tǒng)的線性電源一般是由工頻變壓器,整流濾波電路、恒壓電路組成;電路的工頻變壓器原、副線圈完全隔離,繞制時(shí)通過調(diào)整原副線圈

13、的匝數(shù)比,就可以在副圈端得到需要的交流電壓,變壓器具有隔離、降壓的作用。再經(jīng)過后續(xù)電路的整流和穩(wěn)壓,就能得到預(yù)期的直流電壓。由于工頻變壓器在降壓的同時(shí),自身的損耗也會(huì)隨負(fù)載的增大而明顯增加,導(dǎo)致嚴(yán)重的溫升現(xiàn)象;同時(shí)能量轉(zhuǎn)換的效率也會(huì)變低;另外由于該變壓器的物理結(jié)構(gòu),制約了電源體積的小型化。電路在驅(qū)動(dòng)大功率LED 時(shí),必須串聯(lián)限流電阻R3,R4來限制和穩(wěn)定大功率LED 的電流,防止因電流過大而導(dǎo)致大功率LED 損壞,但是增加限流電阻后,無疑又額外增加了電路的能耗,不能解決工頻電壓的波動(dòng),從而導(dǎo)致發(fā)光亮度不穩(wěn)定。用這類電路的工頻變壓器的線圈匝數(shù)比來確定大功率白光LED 的串聯(lián)數(shù)量。為了滿足不同的發(fā)

14、光亮度需求,只能以并聯(lián)的方式來增加大功率白光LE D 的數(shù)量,但是因?yàn)閱蝹€(gè)LE D 光源的屬性(導(dǎo)通電壓、溫度不同,很難實(shí)現(xiàn)流經(jīng)每個(gè)并聯(lián)LED 分支有相同的電流,從而會(huì)出現(xiàn)各并聯(lián)的分支上LE D 的發(fā)光亮度不一致的現(xiàn)象。這類電路的電能轉(zhuǎn)換效率低,不能實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的;工頻電壓的波動(dòng)和電路的溫升導(dǎo)致的大功率LE D 的發(fā)光亮度不穩(wěn)定,所以不適于路燈等照明領(lǐng)域。所以一般只應(yīng)用于較小功率、短時(shí)間照明的場合,如LED 手電筒、家用燈具以及應(yīng)急照明燈等。3.2開關(guān)型驅(qū)動(dòng)應(yīng)用如圖4所示,這類電源的共同特點(diǎn)是具有高頻變壓器,直流電壓是從變壓器次級繞組的高頻脈沖電壓整流濾波而來。變壓器原副線圈是隔離的,而輸入電

15、壓是直接從交流市電整流得到的高壓直流。電路具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn);但是控制電路比較復(fù)雜,對元器件要求高,亮度不太穩(wěn)定 。圖4一種開關(guān)型LE D 驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)用該類電路使用了大功率開關(guān)晶體管、快速恢復(fù)二極管以及高頻變壓器,開關(guān)轉(zhuǎn)換速度很快,這使得大功率開關(guān)晶體管的功耗很小,電源的效率可以大幅度地提高;同時(shí)省去了較大的散熱片,所以電源的體積小,重量輕;特別是該類電路的輸出電壓是由激勵(lì)信號的占空比來調(diào)節(jié)的,工頻輸入信號電壓的變化可以通過脈沖調(diào)制來進(jìn)行補(bǔ)償,在出現(xiàn)電網(wǎng)電壓變化較大時(shí),仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。該類電路在驅(qū)動(dòng)大功率LE D 的工作原理上和工頻變壓器線性穩(wěn)壓源

16、一樣,采用的是恒壓限流的方法,沒有符合LED 的非線性V 2I 曲線特性,所以在性能方面,仍存在串并聯(lián)發(fā)光亮度不穩(wěn)定和發(fā)光亮度不一致的問題。該類電路較之線性穩(wěn)壓源,在效率、體積、穩(wěn)壓范圍方面有顯著的改善,成本相對較低,所以應(yīng)用場合比較多,但仍不適合于路燈照明領(lǐng)域。降壓式開關(guān)驅(qū)動(dòng)是針對電源電壓高于LE D 的端電壓或者是多個(gè)LED 采用并聯(lián)驅(qū)動(dòng)情況下的應(yīng)用。電路的主要原理是利用按照要求通斷的電子開關(guān)所得到的斬波電流,來得到滿足LE D 工作時(shí)要求的電流If 值,通過電流的負(fù)反饋?zhàn)饔?電流取樣使得流經(jīng)LED 的電流If 穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi),同時(shí)可以兼有一定的調(diào)光功能。電感L 的作用是起到S 開通時(shí)

17、儲(chǔ)能和S 關(guān)斷后的續(xù)流作用,以減少流過LED 電流If 的波動(dòng)。升壓式開關(guān)驅(qū)動(dòng)是針對電源電壓低于LE D 的端電壓或者是多個(gè)LED 采用串聯(lián)驅(qū)動(dòng)情況下的應(yīng)用。一般應(yīng)用在手電筒、礦燈等小型燈具上。3.3恒電流源模式如圖5所示,這類電源與開關(guān)穩(wěn)壓源具有共同特點(diǎn):都具有高頻變壓器,直流電壓是從變壓器次級繞組的高頻脈沖電壓整流濾波而來。變壓器原副線圈是隔離的,而輸入電壓是直接從交流市電整流得到的高壓直流 。圖5一種采用專用恒流驅(qū)動(dòng)I C 的LE D 電源驅(qū)動(dòng)應(yīng)用但該類電路關(guān)注的是恒電流輸出,而不是高頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓源所關(guān)注的恒電壓輸出。電路具有功耗小、效率高、體積小、重量輕等特點(diǎn),恒電流輸出,LED

18、亮度穩(wěn)定;但控制電路比較復(fù)雜,對元器件要求高,LE D 并聯(lián)時(shí)亮度不一致。該類電路在驅(qū)動(dòng)大功率LE D 的原理上,采用了恒電流控制的方法,具有自動(dòng)限流作用,比之采用電阻的恒壓限流驅(qū)動(dòng)的方法,更易于實(shí)現(xiàn)限流和過流保護(hù);同時(shí)沒有額外的限流電阻,減小了電路損耗,提高了能量轉(zhuǎn)換效率。該類電路驅(qū)動(dòng)方法符合大功率LED 的非線性V 2I 曲線特性,避免了電壓輕微波動(dòng)而造成的電流變動(dòng),從根本上解決了大功率LED 串聯(lián)亮度不穩(wěn)定的問題,保證了大功率LED 的發(fā)光亮度的恒定。在大功率白光LE D 的串聯(lián)數(shù)量方面,流經(jīng)的大功率LED 的電流不再受大功率白光LED 串聯(lián)數(shù)量的限制;為了滿足不同的發(fā)光亮度需求,通過靈

19、活地驅(qū)動(dòng)多個(gè)大功率白光LE D 就可以實(shí)現(xiàn)。對于大功率白光LE D 的并聯(lián)使用,該類電路仍無法保證并聯(lián)分支LE D 的發(fā)光亮度一致性。但可以使用多個(gè)恒電流電源,分別驅(qū)動(dòng)不同的并聯(lián)分支LED,同時(shí)保證并聯(lián)各分支LE D 屬性一致性,從而可以解決發(fā)光亮度一致性的問題。相對比較下,恒電流輸出模式比恒電壓模式更適合在照明領(lǐng)域中使用,該類電路無論在能量轉(zhuǎn)換效率、發(fā)光亮度穩(wěn)定性方面都更勝一籌。目前應(yīng)用比較多的恒流專用芯片有HV991O ,QX9910等。3.4調(diào)光應(yīng)用方式頻率調(diào)制是保持加在LE D 上的矩形脈沖電流(幅值不變的寬度不變,通過改變單位時(shí)間加在LE D位角調(diào)制是采用一串含有二進(jìn)制序列脈沖,并且

20、(下轉(zhuǎn)第53頁置,通過頻率的變換可簡易地獲得起動(dòng)日光燈所必需的高電壓。 圖11電子鎮(zhèn)流器輸出特性曲線之一例圖11為由式(6和式(7求出電子鎮(zhèn)流器輸出特性的例子。實(shí)例中高頻電壓源300V ,負(fù)荷為高頻點(diǎn)燈專用型日光燈(相當(dāng)于FHF32。采用了二燈串聯(lián)點(diǎn)燈的電子鎮(zhèn)流器。圖11繪出的三條輸出特性曲線,分別表示預(yù)熱、起動(dòng)、點(diǎn)燈各種模式。圖中還加了一條日光燈的電壓電流特性曲線。在預(yù)熱工況下,頻率增大而輸出電壓下降,未起動(dòng)日光燈僅對燈絲進(jìn)行預(yù)熱。接著,頻率降低,產(chǎn)生高的輸出電壓(開路電壓起動(dòng)日光燈。然后達(dá)到所要求的燈電流時(shí)切換至點(diǎn)燈的頻率。還可以將電路設(shè)計(jì)成起動(dòng)與點(diǎn)燈的頻率相同。而且還能考慮到電子鎮(zhèn)流器的點(diǎn)燈頻率、日光燈的發(fā)光效率,電子元件的成本,以及與家用電器遙控載波頻率的干擾等,設(shè)計(jì)成超過40kHz 的頻率。上述實(shí)例僅為切換頻率的單純控制方式,還有檢測輸出電流和輸出電壓,通過適當(dāng)?shù)目刂乒ぷ黝l率,穩(wěn)定地控制負(fù)荷電流與負(fù)荷功率的電子鎮(zhèn)流器。4小結(jié)筆者對日光燈用的磁回路式鎮(zhèn)流器和電子鎮(zhèn)流器進(jìn)行了闡述。掌握輸出功率特性,不僅可以對鎮(zhèn)流器所具有的功能加深