LED日光燈驅(qū)動電路設(shè)計及仿真分析

LED日光燈驅(qū)動電路設(shè)計及仿真分析目前小功率LED在使用時會對LED進行并聯(lián)、串聯(lián)，而使用過程中只要有一個LED短路或開路，都將導(dǎo)致小片或整條LED熄滅，影響照明效果，因此研究簡單、廉價的驅(qū)動電路具有重要的意義。本文介紹了LED日光燈驅(qū)動的特點，設(shè)計了實用的電容降壓式LED日光燈驅(qū)動電路，著重分析了關(guān)鍵元件參數(shù)的選擇原則。采用PSpice仿真軟件對設(shè)計的電路進行了可行性驗證，并在此基礎(chǔ)上制作了實物電路，用作12WT8標(biāo)準(zhǔn)LED日光燈電源。經(jīng)實驗驗證，該電路穩(wěn)定可靠，成本低，適用于多種小功率LED驅(qū)動。1日光燈電路設(shè)計1.1LED日光燈驅(qū)動目前小功率照明產(chǎn)品中，廣泛使用兩種驅(qū)動電路形式：恒流驅(qū)動和穩(wěn)壓驅(qū)動。前者電路輸出的電流是恒定的，輸出電壓隨負(fù)載的變化而變化，且恒流驅(qū)動通常使用恒流IC,使用時對IC承受的最大電壓值要求較高，限制了LED使用的數(shù)量。后者輸出電壓是固定的，輸出電流隨負(fù)載（LED）數(shù)量的增減而變化。實驗證實，由于LED封裝中其正向壓降離散值較大，且LED亮度輸出與其電流成正比，LED亮度一致性較差，但通過串加合適電阻可以使每串LED亮度平均，較適于低端照明市場。1.2LED日光燈電路設(shè)計LED日光燈驅(qū)動電路原理圖如圖1所示。圖1LED日光燈驅(qū)動電路該電路共驅(qū)動140只白光LED（小功率）,采用35串4并的模式，采用電容降壓式驅(qū)動方式。其中，C1、C4為并聯(lián)的兩個相同的電容，起降壓及限流作用；4個1N4007組成的整流橋?qū)斎虢涣麟妷哼M行整流；濾波電容C3用于濾除整流輸出電壓中的交流成分，使電壓更為平滑；L1、C2用于濾除輸出電壓中的高頻成分；電阻R4為C3提供放電回路；采用單向晶閘管SCR729210對電路進行保護，R3為限流電阻。1.2.1降壓電容選擇因為通過降壓電容C向負(fù)載提供的電流IO實際上就是流過C的充放電電流IC.當(dāng)負(fù)載電流IO小于C的充放電電流IC時，多余的電流就會流過濾波電容C2。式中：Ui---輸入交流電壓有效值；f---交流信號頻率。因此，對于負(fù)載所消耗的64mA電流Io,至少需要降壓電容值Cmin=0.928μF.另外，為保證C可靠工作，其耐壓選擇應(yīng)大于2倍的電源電壓，因此，選擇兩個684MF/630V電容并聯(lián)工作。1.2.2輸出整流及濾波電路根據(jù)有些文獻，整流橋上單個二極管所承受的電壓最大值URM=√2Ui（Ui為輸入電壓的有效值）=318.4V,因此，選用常用的整流二極管1N4007（URM=1000V，IF=1A）。為使輸出端得到平滑的負(fù)載電壓，一般取RLC≥（3~5）T/2,其中RL為負(fù)載阻抗，T為輸入信號周期（0.02s）,可得C≥24.38μF.原則上電容值取的越大，輸出電壓越平滑，其紋波值越小。但是，隨著電容容量的增大，其體積也隨著增大，考慮到電路要安裝在普通T8燈管中，實取33μF/160V的電解電容；同時為得到更平滑的輸出電壓，選取L1為100μH線繞電感，C1為0.01μF瓷片電容。1.2.3輸出保護電路設(shè)計LED中使用的電流不能超過其規(guī)格穩(wěn)定值，長期超過負(fù)荷不僅不會增大亮度（白光LED在大電流下會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，發(fā)光效率大幅度降低）,而且還會縮短LED壽命，影響LED照明電路的可靠性。由于LED正向?qū)ê?，其正向電壓的細小變動將會引起LED電流的大幅度變化，因此，需要在輸出端設(shè)置輸出保護電路。該電路由VT1、R2、R3組成，VT1采用Motoro2la公司的MCR729210（UDRM=800V,控制極觸發(fā)電壓UGT=0.8V,觸發(fā)電流IGT=10mA）.R2為單向晶閘管提供觸發(fā)偏置電壓，其阻值的選擇至關(guān)重要，如果值太大，則電路中某些不穩(wěn)定因素導(dǎo)致LED中的電流瞬間變大，會導(dǎo)致晶閘管頻繁觸發(fā)，保護電路頻繁起作用，造成電路工作不正常；如果阻值選的過小，LED可能在超出其規(guī)格穩(wěn)定值下工作，保護電路不靈敏，會造成LED壽命縮短。因要求LED支路電流為16mA,則：為留有一定的裕量，選取R2=10Ω。2仿真及實驗分析2.1日光燈電路的PSpice仿真為理論上驗證設(shè)計的可行性，采用PSpice軟件對電路進行了仿真分析。結(jié)果如圖2所示。電路在210ms時進入穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定后其輸出電壓為97±2.2V,輸出電流為14.7±0.3mA,基本驗證了電路設(shè)計的可行性。LED日光燈電路輸出特性如圖2所示。圖2LED日光燈電路輸出特性。為驗證輸出保護電路的功能，對電阻R2進行參數(shù)掃描分析，之后進行性能分析。結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，當(dāng)R2從1Ω增大到13.889Ω時，輸出電流開始下降，表明此時單向晶閘管處于臨界導(dǎo)通狀態(tài)；然后隨著R2的繼續(xù)增大，輸出電流急劇下降，直至R2為15.119Ω時，輸出電流穩(wěn)定在5.2mA左右，表明單向晶閘管已經(jīng)完全導(dǎo)通，保護電路已經(jīng)起作用。圖3輸出電流與R2阻值關(guān)系曲線2.2試驗數(shù)據(jù)從PSpice仿真的結(jié)果來看，電路設(shè)計具有可行性，因此依據(jù)此電路制作了12W日光燈。標(biāo)準(zhǔn)燈管為1190mm×30mm,采用兩條相同的PCB電路板（尺寸593mm×25mm）對接而成，并采用湖州升譜SPL2000電光源光色電綜合分析系統(tǒng)對電路的相關(guān)參數(shù)進行了測試。實測輸入電壓VAC為220V時，該電路總電流127mA,相當(dāng)于每支路為15.85mA,電路功率因數(shù)為0.465,電路實耗功率為11.4W。在不損壞LED的條件下進行了測試，降壓電容C1的電容值與輸出電流的關(guān)系如圖4所示（因為兩個電容是相同的，圖4中只表示出單一電容值）?？梢?，隨著電容值的增加，輸出電流幾乎呈線性上升，待增加到一定值時（約20mA）,保護電路起作用，迫使經(jīng)過LED支路的電流下降。圖4實測輸出電流與降壓電容的關(guān)系3結(jié)語采用電容降壓