大功率LED路燈驅(qū)動電源的設計

1、大功率LED路燈驅(qū)動電源的設計作者：陳娟摘 要:該文根據(jù)大功率LED的工作特性,對市場上常見的大功率LED路燈驅(qū)動電源進行了分析,并提出了大功率白色LED在路燈照明應用中,其驅(qū)動電源需要滿足的多個設計要素。關鍵詞:大功率LED;恒電壓控制;恒電流控制;路燈照明1、引言當前我國正在創(chuàng)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會,“綠色照明”的概念也在逐步深入人心。隨著科技的不斷進步,半導體材料應用技術的高速發(fā)展,小功率LED光源已廣泛應用于景觀照明,大功率的LED路燈也越來越多地引起各方面的關注。大功率LED路燈是一種通過直流低壓點亮大功率LED組來實現(xiàn)照明需求的一種新型照明方式,具有亮度高、顯色性好等特點。另

2、外,由于LED路燈的輸入為低壓直流,能與太陽能結合起來,使得太陽能LED路燈成為了未來道路照明方式的一種可能。然而大功率LED所需的驅(qū)動電源為直流的低電壓,所以傳統(tǒng)上用以驅(qū)動白熾燈、日光燈、節(jié)能燈、鈉燈等光源的電源并不適合直接驅(qū)動大功率LED。而普通的降壓、穩(wěn)壓電源必須重新改良才能適用于驅(qū)動大功率LED。本文根據(jù)大功率LED的工作特性,對市場上常見的驅(qū)動電源進行分析,提出了在路燈照明領域的應用中,為了能更好地發(fā)揮大功率LED的優(yōu)點,驅(qū)動電源必須滿足恒流輸出、散熱、效率、功率因數(shù)、過壓過流過溫保護等多個設計要素。2、大功率LED的工作特性圖1為正向?qū)▔航?V)和正向電流(I)的非線性關系曲線圖

3、。由曲線可知,當正向電壓超過某個閾值,即通常所說的導通電壓之后,可近似認為,I隨著V的上升而急劇上升;由圖1可知,大功率LED是低電壓、大電流的發(fā)光器件,當前大功率LED的最高I可達1 A,而V一般為24 V。由于大功率LED的光特性通常都描述為電流(I)的函數(shù),而不是電壓(V)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)變化范圍會出現(xiàn)比較大的波動(最大可達1 V以上)。而由圖1中的V-I曲線可知,V的微小變化會引起較大的I變化;其LED發(fā)光的強度由流過LED的電流決定,電流過強會引起LED的衰減,電流過弱會影響LED的發(fā)光強度。所以,采用恒壓源驅(qū)動不能保證LED亮度的

4、一致性,并且影響LED的可靠性和壽命。因此,大功率的LED通常采用恒流源驅(qū)動,以保證大功率LED使用的安全性,同時達到理想的發(fā)光強度。圖2是LED的光通量和溫度()的關系曲線。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。3、恒電壓源模式3.1 工頻變壓器線性穩(wěn)壓源3.1.1如圖3所示,這類電源的共同特點是由工頻變壓器、整流濾波電路、恒壓電路組成。該類型電路工頻變壓器原、副線圈完全隔離,通過調(diào)整原副線圈的變比,就可以在副邊得到需要的交流電壓,該工頻變壓器起到了隔離、降壓的作用。通過后繼的整流和穩(wěn)壓電路,就可以得到預期的直流電壓

5、。3.1.2電路簡單,成本很低。3.1.3損耗大,效率低,體積大,溫升高,亮度不穩(wěn)定。該類電路的工頻變壓器起到降壓的同時,自身的損耗也會隨負載的增大而明顯增加,導致嚴重的溫升現(xiàn)象;同時能量轉換的效率也會變低;另外由于該變壓器的物理結構,限制了該電源體積的小型化。該類電路在驅(qū)動大功率白光LED時,必須串聯(lián)RES來限制和穩(wěn)定流經(jīng)大功率白光LED的電流,否則一旦工作電流過大,超過了大功率白光LED的最大工作電流,則會導致大功率白光LED的永久性損壞。然而增加限流電阻的方法,不但增加了能量的過多損耗,而且不能解決工頻電壓的波動而導致的發(fā)光亮度不穩(wěn)定等問題。該類電路的工頻變壓器的線圈變比決定了大功率白光

6、LED的串聯(lián)數(shù)量,一旦選定了工頻率變壓器,就難以增加大功率白光LED的串聯(lián)數(shù)量。為了滿足不同的發(fā)光亮度需求,只能以并聯(lián)的方式來增加大功率白光LED的數(shù)量,但是因為大功率白光LED的屬性(導通電壓、溫度)不同,很難實現(xiàn)流經(jīng)每個并聯(lián)LED分支有相同的電流,從而會出現(xiàn)各并聯(lián)的分支LED的發(fā)光亮度不一致的現(xiàn)象。該類電路的電能轉換效率低,不能實現(xiàn)節(jié)能的目的;工頻電壓的波動和電路的溫升導致大功率白光LED的發(fā)光亮度不穩(wěn)定,使得該電路不適用于路燈照明領域。3.2 高頻變壓器開關穩(wěn)壓源3.2.1如圖4所示,這類電源的共同特點是具有高頻變壓器,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

7、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。3.2.2功耗小,效率高,體積小,重量輕,穩(wěn)壓范圍寬。3.2.3控制電路比較復雜,對元器件要求高,亮度不穩(wěn)定。該類電路使用了大功率開關晶體管、快速恢復二極管以及高頻變壓器,開關轉換速度很快,這使得大功率開關晶體管的功耗很小,電源的效率可以大幅度地提高。由于沒有采用笨重的工頻變壓器,大功率開關晶體管的功耗又很小,省去了較大的散熱片,所以電源體積小,重量輕。關鍵在于該類電路的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調(diào)節(jié)的,工頻輸入信號電壓的變化可以通過脈沖調(diào)制來進行補償,在出現(xiàn)電網(wǎng)電壓變化較大時,仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。該類電路在驅(qū)動大功率白光LE

8、D的原理上和工頻變壓器線性穩(wěn)壓源一樣,采用的是恒壓限流的方法,沒有符合大功率白光LED的非線性V-I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。該類電路較之工頻變壓器線性穩(wěn)壓源,在效率、體積、穩(wěn)壓范圍方面有顯著的改善,所以在其他一些照明場合使用比較多,但該類電路仍不適合于路燈照明領域。4、恒電流源模式4.1電路構成與工作原理如圖5所示,這類電源與高頻變壓器開關穩(wěn)壓源具有共同特點: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。但該類電路關注的是恒電流輸出,而不再是高頻變

9、壓器開關穩(wěn)壓源所關注的恒電壓輸出。4.2 優(yōu)點功耗小,效率高,體積小,重量輕,恒電流輸出,LED亮度穩(wěn)定。4.3 缺點控制電路比較復雜,對元器件要求高,LED并聯(lián)亮度不一致。該類電路在驅(qū)動大功率白光LED的原理上,采用了恒電流控制的方法,具有自動限流作用,比之采用電阻的恒壓限流驅(qū)動的方法,更易于實現(xiàn)限流和過流保護;同時沒有額外的限流電阻,減小了電路損耗,提高了能量轉換效率。該類電路驅(qū)動方法符合大功率白光LED的非線性V-I曲線特性,避免了電壓輕微波動而造成的電流變動,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)光亮度恒定。在大功率白光LED的串聯(lián)數(shù)量方面,流經(jīng)的大功率

10、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,通過靈活的驅(qū)動多個大功率白光LED就可以實現(xiàn)。對于大功率白光LED的并聯(lián)使用,該類電路仍無法保證并聯(lián)分支LED的發(fā)光亮度一致性。但可以使用多個恒電流電源,分別驅(qū)動不同的并聯(lián)分支LED,同時保證并聯(lián)分支LED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域中使用,該類電路無論在能量轉換效率、發(fā)光亮度穩(wěn)定性方面都更勝一籌。5、可靠性設計要在照明領域中大量使用大功率白光LED,只有保證大功率白光LED驅(qū)動電源安全可靠地工作,才能保證大功率白光LED的長壽命和發(fā)光亮度穩(wěn)定。

11、5.1過壓過流保護在實際使用中,會出現(xiàn)負載短路或者空載的情況,會造成整個驅(qū)動電源的破壞,所以在驅(qū)動電源設計的時候,需要增加過壓與過流保護。5.2隔離保護LED是低電壓的產(chǎn)品,當驅(qū)動電源的開關損壞時,也不能有危及負載的高電壓出現(xiàn)。所以要求電路的負載電路做到隔離保護。5.3浪涌保護在實際應用中,電網(wǎng)很不穩(wěn)定,尤其是雷雨季節(jié),會有浪涌電壓存在,所以在驅(qū)動電源設計時,要考慮到整個產(chǎn)品的防雷,盡量避免在異常時造成永久性的破壞。5.4散熱設計在大功率LED應用中,LED能承受的電流與溫度有一定的關系,所以在驅(qū)動電源設計時,需要考慮大功率白光LED的散熱問題和驅(qū)動電源本身的散熱問題。5.5諧波小開關穩(wěn)壓電源的缺點是存在較為嚴重的開關干擾,這些干擾如果不采取一定的措施進行抑制、消除和屏蔽,就會嚴重地影響整機的正常工作。此外,由于開關穩(wěn)壓電源振蕩器沒有工頻變壓器的