大功率LED照明電路高效驅(qū)動(dòng)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(yīng)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(diǎn)，對(duì)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(dòng)大功率LED組的反激式電路，并給出電路參數(shù)設(shè)計(jì)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，構(gòu)建了10．0 V／1．10 A的輸出電路原型，并在額定負(fù)荷與過(guò)載負(fù)荷下進(jìn)行測(cè)試，以檢驗(yàn)電流的穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果表明，這個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電路精度高、性能穩(wěn)定、效率高，說(shuō)明所提出的方法對(duì)于驅(qū)動(dòng)大功率發(fā)光二極管是切實(shí)可行的。
關(guān)鍵詞：LED照明電路；反激式電路；恒定電流；驅(qū)動(dòng)電路

0 引言
    作為一種光源，大功率發(fā)光二極管發(fā)光效率高、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，用LED作為發(fā)光器件，是未來(lái)若干年的一種發(fā)展趨勢(shì)。
    隨著大功率發(fā)光二極管在照明領(lǐng)域的迅速發(fā)展，研究高效的驅(qū)動(dòng)方法顯得越來(lái)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(huì)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(huì)引起器件性能退化；電流太小又會(huì)影響其亮度。因此，常采用恒定電流驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)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(kāi)關(guān)式電源為L(zhǎng)ED供電。因DC-DC PWM轉(zhuǎn)換器效率高，常用它為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電路供電。通常，用于LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(kāi)，以獲得電氣隔離，同時(shí)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(gè)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(dòng)電路的首選。
    最近數(shù)年涌現(xiàn)出許多新的LED驅(qū)動(dòng)電路。諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)浼夹g(shù)一直是各種功率電路研究的課題，旨在獲得大功率、低開(kāi)關(guān)功耗和低的EMI。由于這些拓?fù)浼夹g(shù)起著電壓一電流轉(zhuǎn)換器的作用，其中又沒(méi)有使用電流敏感元件，因而在LED中的應(yīng)用較多。具有自動(dòng)調(diào)壓功能的新穎LED驅(qū)動(dòng)電路，是一個(gè)電流控制、單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)。其中采用了順序移相PWM調(diào)光方法來(lái)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(gè)大功率LED管的驅(qū)動(dòng)電路，其中鎮(zhèn)流器電阻以及輔助電流電路沒(méi)有必要，從而提供一個(gè)高效、小體積、低成本LED照明系統(tǒng)。

1 發(fā)光二極管的電氣特性
1．1 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=1．6×10-5；k為波爾茲曼常數(shù)，k=1．38×10-23J／K；T為熱動(dòng)態(tài)系數(shù)；β為常數(shù)，β取1～2。
    當(dāng)電壓加在LED上，N區(qū)電子具有充足能量穿越PN結(jié)進(jìn)入存在空穴的P區(qū)。當(dāng)電子非常接近P區(qū)正電荷時(shí)，兩種電荷“重新組合”。正負(fù)電荷的每一次“重新組合”，就會(huì)以光子形式釋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(qiáng)。與此同時(shí)，電流也隨著發(fā)出的移動(dòng)電荷成正比增加。因此，LED的亮度隨著流過(guò)電流而改變。

    圖1反映了試驗(yàn)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(hào)為CSHV-NL60SWG4-A2，額定功率1 W，額定電流350 mA，正向電壓為3．4 V，發(fā)光效率為801 m／W)，正向電流是在2．6 V正向電壓下開(kāi)始流動(dòng)，之后隨正向電壓上升在額定值范圍內(nèi)增加，當(dāng)正向電壓升至3．3～3．5 V時(shí)，正向電流達(dá)額定值350 mA。正向電流增加，亮度也正比增強(qiáng)。
1．2 發(fā)光二極管的連接方法
    單個(gè)發(fā)光二極管體形很小，其亮度(取決于驅(qū)動(dòng)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(gè)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(yùn)行，若其中一個(gè)失效(斷開(kāi))，其余還可正常運(yùn)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(yùn)行。此外，道閘電阻隨LED個(gè)數(shù)正比增加。
    串聯(lián)連接中，每個(gè)LED的驅(qū)動(dòng)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(fù)載系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)作。串聯(lián)電路更為有效，因?yàn)槊總€(gè)LED的亮度穩(wěn)定。串聯(lián)電路的總電壓與電流由LED的接通與損壞(斷開(kāi))情況決定的。這種情況會(huì)影響LED的亮度。在最糟糕的情形中，LED一個(gè)一個(gè)地?fù)p壞。

    考慮到串聯(lián)、并聯(lián)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，該項(xiàng)目采用LED混聯(lián)(串-并聯(lián))負(fù)載，恒流源電路穩(wěn)定性、可靠性俱佳。如圖2所示。

2 驅(qū)動(dòng)電路
2．1 電路狀態(tài)
    該項(xiàng)目提出了由反激式DC-DC轉(zhuǎn)換器組成的LED驅(qū)動(dòng)電路，它帶有恒定輸出電流控制功能，驅(qū)動(dòng)LED照明電路。由于有了這種驅(qū)動(dòng)電路，整個(gè)LED照明電路顯得體積小、重量輕，效率較高。驅(qū)動(dòng)9個(gè)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(cè)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(fù)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(dǎo)通”期間，T1在原繞組中儲(chǔ)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(chǔ)存的能量被傳輸?shù)絃ED負(fù)載與C2上，這時(shí)C2被充電。輸出電流由Rd檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為電壓。通過(guò)比較檢測(cè)電壓與參考電壓，U3產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)。U1根據(jù)相應(yīng)的控制信號(hào)調(diào)節(jié)集成MOSFET的“通／斷”時(shí)間，從而向LED負(fù)載提供恒定輸出電流。
2．2 功率管理芯片
    本文驅(qū)動(dòng)器所用的功率管理芯片為IC-TNY277，屬于Tiny-SwitchⅢ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(gè)器件上，采用“通／斷”控制技術(shù)，成本低，功率可以擴(kuò)展。TNY277芯片管腳分布見(jiàn)圖3所示，其中D腳是功率MOSFET漏極連接處，提供內(nèi)部啟動(dòng)與穩(wěn)態(tài)運(yùn)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。EN／UV管腳有兩個(gè)功能：使能輸入、欠壓檢測(cè)。正常運(yùn)行期間，功率MOSFET的切換由這個(gè)管腳來(lái)控制。
2．3 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(jìn)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(shè)初級(jí)繞組的初始電流為零，在MOSFET“導(dǎo)通”期間，在初級(jí)繞組上有一固定電壓，其中的電流線性上升。在“導(dǎo)通”期間的末端，初級(jí)電流上升到Iip，如圖4所示。

    在MOSFET“斷開(kāi)”期間，勵(lì)磁電感中的電流迫使初級(jí)繞組電壓極性反轉(zhuǎn)。由于電感中的電流不能瞬間巨變，在“斷開(kāi)”瞬間，初級(jí)繞組電流傳遞到次級(jí)繞組后的大小為：
   
    式中：Np，Ns分別是初級(jí)繞組、次級(jí)繞組線圈匝數(shù)。
    在MOSFET“斷開(kāi)”期間，次級(jí)繞組電流線性下跌，如圖4(b)所示，其平均值按下式計(jì)算：

    式中：N是初級(jí)繞組／次級(jí)繞組的匝比。
    假設(shè)：圖3的參考電壓是Vref；Rd檢測(cè)到的電壓是Vdec；穩(wěn)壓管V4的電壓是V2，那么：
   
    當(dāng)Vdec大于Vref時(shí)，光電偶起作用，MOSFET“關(guān)斷”，產(chǎn)生輸出電流；反過(guò)來(lái)，當(dāng)Vdec小于Vref時(shí)，光電偶退出運(yùn)行，MOSFET轉(zhuǎn)而“導(dǎo)通”，輸出電流開(kāi)始增加，最終獲得恒定的輸出電流。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)并制作了(反激式變換器構(gòu)成)驅(qū)動(dòng)LED的恒定電流電路原型，其輸入電壓范圍為180～260V交流電，電路輸出為10.0 V／1．10 A。以9個(gè)大功率白色的LED作為負(fù)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(shí)驗(yàn)都是在26．3°度室溫和62．5％的濕度下完成的。
    220 V交流電源供電，在額定負(fù)荷下連續(xù)運(yùn)行至少90 min，每10 min對(duì)電路測(cè)試1次，以驗(yàn)證其電流的穩(wěn)定性。測(cè)量結(jié)果表明，輸出電流在1．114 60～1．114 8 A范圍內(nèi)變化，電流誤差為1．0％，電流穩(wěn)定性為1．0％，見(jiàn)圖5。

    220 V交流電源在過(guò)載運(yùn)行下(LED負(fù)載串聯(lián)一個(gè)1Ω)，電路持續(xù)運(yùn)行至少90 min，每10min測(cè)量1次，觀測(cè)到輸出電流的變化范圍為1．115 8～1．116 0 A之間，見(jiàn)圖6之Io1。當(dāng)LED陣列串聯(lián)一個(gè)2 Ω電阻作為負(fù)荷，輸出電流Io2保持穩(wěn)定，但大小與Io1比稍小一點(diǎn)，因?yàn)槭茏儔浩鱐1最大輸出功率的限制。
    帶額定負(fù)荷(只帶LED)在180～260V交流下運(yùn)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(jiàn)圖7。

4 結(jié)語(yǔ)
    大功率LED光效率高、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好，在照明電路中應(yīng)用廣泛。但LED驅(qū)動(dòng)電路在效率、可靠性、穩(wěn)定性方面存在不足，妨礙了成本降低、限制了運(yùn)行壽命和LED照明線路的應(yīng)用范圍。由于大功率LED的這些特點(diǎn)，本文研究了基于反激式變換器的恒流輸出電路，設(shè)計(jì)、制作出輸出10．0 V／1．10 A的原型電路。在180～260 V交流電壓下，測(cè)得電流誤差0．9％、電流穩(wěn)定性1．2％、電路效率78％。結(jié)果表明，本文提出的驅(qū)動(dòng)方法，精度高、穩(wěn)定性好、效率高。