大功率LED照明電路高效驅(qū)動技術(shù)研究(1)

1、大功率LED照明電路高效驅(qū)動技術(shù)研究摘要：大功率發(fā)光二極管因其良好的性能在照明中得到廣泛應用。介紹了發(fā)光二極管的電特性，并根據(jù)并聯(lián)、串聯(lián)的特點，對具有較好穩(wěn)定性與可靠性的LED串并聯(lián)組合電路加以分析。研究了用恒定輸出電流驅(qū)動大功率LED組的反激式電路，并給出電路參數(shù)設計。根據(jù)驅(qū)動方法，構(gòu)建了100 V110 A的輸出電路原型，并在額定負荷與過載負荷下進行測試，以檢驗電流的穩(wěn)定性。試驗結(jié)果表明，這個LED驅(qū)動電路精度高、性能穩(wěn)定、效率高，說明所提出的方法對于驅(qū)動大功率發(fā)光二極管是切實可行的。關(guān)鍵詞：LED照明電路；反激式電路；恒定電流；驅(qū)動電路0 引言    作為一

2、種光源，大功率發(fā)光二極管發(fā)光效率高、壽命長、穩(wěn)定性好。隨著半導體技術(shù)的快速發(fā)展，用LED作為發(fā)光器件，是未來若干年的一種發(fā)展趨勢。    隨著大功率發(fā)光二極管在照明領域的迅速發(fā)展，研究高效的驅(qū)動方法顯得越來越重要。發(fā)光二極管是低壓大電流器件，因而小的電壓變化會引起較大的電流變化。LED的光度主要取決于它的電流：電流太大，會引起器件性能退化；電流太小又會影響其亮度。因此，常采用恒定電流驅(qū)動大功率發(fā)光二極管。    常規(guī)的線性恒流源電路結(jié)構(gòu)簡單，但由于體積大效率低而不常用。為了提升電源效率，只好用開關(guān)式電源為LED供電。因DC-DC PW

3、M轉(zhuǎn)換器效率高，常用它為LED驅(qū)動電路供電。通常，用于LED驅(qū)動電路的DC-DC PWM轉(zhuǎn)換器有三種：即BUCK型，BOOST型和BUCK-BOOST型。這三種轉(zhuǎn)換器都是非隔離型轉(zhuǎn)換器。然而，有些隔離型的DC-DC轉(zhuǎn)換器，例如反激式變換器，也可用于LED驅(qū)動電路，以獲得恒定輸出電流。反激式變轉(zhuǎn)器副邊濾波電感可以移開，以獲得電氣隔離，同時減小轉(zhuǎn)換器體積、降低成本。此外，反激式變換器可以將任意個LED接到任一直流電源，只要調(diào)整變壓器匝比即可，因而這種電路成為眾多LED驅(qū)動電路的首選。    最近數(shù)年涌現(xiàn)出許多新的LED驅(qū)動電路。諧振轉(zhuǎn)換器拓撲技術(shù)一直是各種功率電路研究

4、的課題，旨在獲得大功率、低開關(guān)功耗和低的EMI。由于這些拓撲技術(shù)起著電壓一電流轉(zhuǎn)換器的作用，其中又沒有使用電流敏感元件，因而在LED中的應用較多。具有自動調(diào)壓功能的新穎LED驅(qū)動電路，是一個電流控制、單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)。其中采用了順序移相PWM調(diào)光方法來調(diào)整LED的亮度。此外，LED采用的反激式集成AC-DC轉(zhuǎn)換器一直在研究如何降低其成本、提高輸出以及功率因數(shù)。    本文提出基于反激式變換器的恒定電流電路。作為9個大功率LED管的驅(qū)動電路，其中鎮(zhèn)流器電阻以及輔助電流電路沒有必要，從而提供一個高效、小體積、低成本LED照明系統(tǒng)。1 發(fā)光二極管的電氣特

5、性11 發(fā)光二極管的電特性    發(fā)光二極管的核心是PN結(jié)，其伏安關(guān)系與普通二極管相同。從理論而言，LED的正向電流與正向電壓呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，如式(1)所示：        式中：q為電荷；q=16×10-5；k為波爾茲曼常數(shù)，k=138×10-23JK；T為熱動態(tài)系數(shù)；為常數(shù)，取12。    當電壓加在LED上，N區(qū)電子具有充足能量穿越PN結(jié)進入存在空穴的P區(qū)。當電子非常接近P區(qū)正電荷時，兩種電荷“重新組合”。正負電荷的每一次“重新組合”，就會以光子形式釋

6、放出某頻率的量子電磁能量。因此，穿越PN結(jié)的電荷越多，發(fā)出的光也就越強。與此同時，電流也隨著發(fā)出的移動電荷成正比增加。因此，LED的亮度隨著流過電流而改變。    圖1反映了試驗用發(fā)光二極管的正向電壓與電流的特性、正向電流與亮度的特性(管子型號為CSHV-NL60SWG4-A2，額定功率1 W，額定電流350 mA，正向電壓為34 V，發(fā)光效率為801 mW)，正向電流是在26 V正向電壓下開始流動，之后隨正向電壓上升在額定值范圍內(nèi)增加，當正向電壓升至3335 V時，正向電流達額定值350 mA。正向電流增加，亮度也正比增強。12 發(fā)光二極管的連接方法 

7、   單個發(fā)光二極管體形很小，其亮度(取決于驅(qū)動電流)不能滿足一般照明要求。為獲得足夠亮度，必須把若干LED相連接，用恒流源為每個LED供電并保障亮度。有連接方式兩種，即串聯(lián)、并聯(lián)。    并聯(lián)LED可以在不同電流下運行，若其中一個失效(斷開)，其余還可正常運行。并聯(lián)的主要不足在于，由于道閘電阻有偏差的緣故，電流均衡以及穩(wěn)定運行。此外，道閘電阻隨LED個數(shù)正比增加。    串聯(lián)連接中，每個LED的驅(qū)動電流必然是等效的，盡管電源與道閘電阻有偏差，以保證電源-負載系統(tǒng)的穩(wěn)定運作。串聯(lián)電路更為有效，因為每個LED的亮度穩(wěn)

8、定。串聯(lián)電路的總電壓與電流由LED的接通與損壞(斷開)情況決定的。這種情況會影響LED的亮度。在最糟糕的情形中，LED一個一個地損壞。    考慮到串聯(lián)、并聯(lián)各自的優(yōu)缺點，該項目采用LED混聯(lián)(串-并聯(lián))負載，恒流源電路穩(wěn)定性、可靠性俱佳。如圖2所示。2 驅(qū)動電路21 電路狀態(tài)    該項目提出了由反激式DC-DC轉(zhuǎn)換器組成的LED驅(qū)動電路，它帶有恒定輸出電流控制功能，驅(qū)動LED照明電路。由于有了這種驅(qū)動電路，整個LED照明電路顯得體積小、重量輕，效率較高。驅(qū)動9個大功率LED的電路如圖3所示。其中：T1是高頻變壓器；C1是輸入濾波電

9、容；C2是輸出濾波電容；Ei是直流輸入電壓(橋式整流電壓中的)；Vo是輸出電壓；Ii是輸入電流；Io是輸出電流；Di是整流二極管；Rd是電流檢測電阻；U1是MOSFET做成的功率管理集成電路；U2是光電偶，用以光電隔離；U3是比較器。    恒定電流輸出電路的依據(jù)是負反饋原理。高頻變壓器T1將能量從輸入端傳遞到輸出端。在集成MOSFET“導通”期間，T1在原繞組中儲存能量，輸出電流僅由輸出濾波電容C2供給。在MOSFET“關(guān)斷”期間，變壓器儲存的能量被傳輸?shù)絃ED負載與C2上，這時C2被充電。輸出電流由Rd檢測并轉(zhuǎn)換為電壓。通過比較檢測電壓與參考電壓，U3產(chǎn)生一個

10、控制信號。U1根據(jù)相應的控制信號調(diào)節(jié)集成MOSFET的“通斷”時間，從而向LED負載提供恒定輸出電流。22 功率管理芯片    本文驅(qū)動器所用的功率管理芯片為IC-TNY277，屬于Tiny-Switch系列產(chǎn)品，由Power Integrations公司制造。TNY277芯片把高壓電源MOSFET與電源調(diào)控器集成在一個器件上，采用“通斷”控制技術(shù)，成本低，功率可以擴展。TNY277芯片管腳分布見圖3所示，其中D腳是功率MOSFET漏極連接處，提供內(nèi)部啟動與穩(wěn)態(tài)運行工作電流；S腳內(nèi)聯(lián)到輸出MOSFET源極，獲得高壓電源、控制電路公共端。ENUV管腳有兩個功能：使能

11、輸入、欠壓檢測。正常運行期間，功率MOSFET的切換由這個管腳來控制。23 恒定輸出電流電路的分析    本文采用反激式變換器的恒定輸出電流電路，這一節(jié)進行電路參數(shù)的分析。    直流輸入電壓Ei是整流電壓Vac形成的，其最大值可表示為：    假設初級繞組的初始電流為零，在MOSFET“導通”期間，在初級繞組上有一固定電壓，其中的電流線性上升。在“導通”期間的末端，初級電流上升到Iip，如圖4所示。    在MOSFET“斷開”期間，勵磁電感中的電流迫使初級繞組電壓極性反轉(zhuǎn)

12、。由于電感中的電流不能瞬間巨變，在“斷開”瞬間，初級繞組電流傳遞到次級繞組后的大小為：        式中：Np，Ns分別是初級繞組、次級繞組線圈匝數(shù)。    在MOSFET“斷開”期間，次級繞組電流線性下跌，如圖4(b)所示，其平均值按下式計算：    式中：N是初級繞組次級繞組的匝比。    假設：圖3的參考電壓是Vref；Rd檢測到的電壓是Vdec；穩(wěn)壓管V4的電壓是V2，那么：      

13、  當Vdec大于Vref時，光電偶起作用，MOSFET“關(guān)斷”，產(chǎn)生輸出電流；反過來，當Vdec小于Vref時，光電偶退出運行，MOSFET轉(zhuǎn)而“導通”，輸出電流開始增加，最終獲得恒定的輸出電流。3 實驗結(jié)果    根據(jù)以上分析，設計并制作了(反激式變換器構(gòu)成)驅(qū)動LED的恒定電流電路原型，其輸入電壓范圍為180260V交流電，電路輸出為10.0 V110 A。以9個大功率白色的LED作為負載，它們具有本文第2節(jié)描述的特性，采用混聯(lián)方法。下面所有的實驗都是在263°度室溫和625的濕度下完成的。    220 V

14、交流電源供電，在額定負荷下連續(xù)運行至少90 min，每10 min對電路測試1次，以驗證其電流的穩(wěn)定性。測量結(jié)果表明，輸出電流在1114 601114 8 A范圍內(nèi)變化，電流誤差為10，電流穩(wěn)定性為10，見圖5。    220 V交流電源在過載運行下(LED負載串聯(lián)一個1)，電路持續(xù)運行至少90 min，每10min測量1次，觀測到輸出電流的變化范圍為1115 81116 0 A之間，見圖6之Io1。當LED陣列串聯(lián)一個2 電阻作為負荷，輸出電流Io2保持穩(wěn)定，但大小與Io1比稍小一點，因為受變壓器T1最大輸出功率的限制。    帶額定負荷(只帶LED)在180260V交流下運行，輸出電流Io近似為1.11A，電路效率基本上在78，電流誤差0.9，電流穩(wěn)定性1.2，見圖7。4 結(jié)語