LED景觀照明燈驅動電路設計方案

0 引言

在國內(nèi)外倡導綠色環(huán)保及節(jié)能的背景下，伴隨著近年來LED光效、壽命及光色上的明顯進步，半導體發(fā)光二極管(LED)因具有節(jié)能、壽命長、驅動簡單、燈色種類多等優(yōu)點已廣泛應用于景觀照明、數(shù)字化交通信息顯示、疏導標識、室外全彩顯示屏及照度要求不高的室內(nèi)外照明等領域。

針對LED在城市亮化中的應用現(xiàn)狀，筆者利用電力電子整流與恒流技術設計制作了一款LED景觀照明燈，它具有成本低、工作可靠、壽命長、控制簡單等特點，并可根據(jù)實際需求進行功能擴展。

1 小功率LED驅動方案

目前小功率LED產(chǎn)品廣泛采用兩種驅動電路形式，即恒流驅動和穩(wěn)壓驅動。前者電路輸出的電流是恒定的，輸出電壓隨負載的變化而變化;后者輸出電壓是固定的，輸出電流隨負載(LED數(shù)目)的增減而變化。根據(jù)電源輸入與輸出電路形式也可分為隔離驅動和非隔離驅動，前者以開關電源為代表，而后者主要包括電容降壓式和恒流/恒壓IC.其相關性能、功耗、成本以及主要應用如表1所示。

表1小功率LED驅動方案比較

2 LED景觀照明燈電路設計

LED景觀照明燈就是實現(xiàn)RGBLED的交替點亮以及漸變控制，電路設計如圖1所示。該電路采用3181集成芯片作為控制器，其相關功能及引腳參看文獻[4]，共控制36只小功率LED，采用RGB三基色LED各12只，驅動方案采用電容降壓式。

其中，C1、C5為并聯(lián)的兩個相同的電容，起降壓及限流作用;由4個lN4007組成的整流橋對輸入交流電壓進行整流;濾波電容C4用于濾除整流輸出電壓中的交流成分，使電壓更為平滑;肖特基二極管VD5穩(wěn)定a點的電壓;VD6為控制IC提供穩(wěn)定的電壓;R3、R4為限流電阻;R2、C2為控制IC提供交流輸入頻率，為集成IC提供交流采樣頻率;三極管VT1、VT2、VT3用于控制LED支路的電流變化。

2.1 降壓電容值的選擇

通過降壓電容C1、C5(后文中用C表示)向負載提供的電流I0，實際上就是流過充放電電流lc.當負載電流，I0小于c的充放電電流時，多的電流就會流過濾波電容C4及其他支路。

式中Ui--輸入交流電壓有效值。 f--AC頻率。

對于負載所消耗的60 mA的電流I0至少需要降壓電容值為0.87uF，因圖l中增加高壓穩(wěn)壓二極管降壓，而二極管工作時也需要消耗較大的電流，另外為保證電容C可靠工作，其耐壓選擇應大于2倍的電源電壓，因此應選擇兩個684/630 V電容并聯(lián)工作。

2.2整流及濾波電路

根據(jù)文獻[7]，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)=318.4 V，因此選用常用的整流二極管lN4007(URM=l000 V，IF=1 A)。

為使輸出端得到平滑的負載電壓，一般取RLC≥(3~5)T/2，其中RL為負載阻抗，T為輸入信號周期(0.02 s)，可得C≥24.38 uF.

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，一般其體積也隨之增大，考慮到該電路板面積，實取47 uF/160 V的電解電容。

2.3系統(tǒng)電源電路設計

因電路中需要兩組電壓，一組用于驅動三串LED，一組為集成IC提供工作電源(5 V)。VD5的穩(wěn)壓值直接與所驅動單串LED的個數(shù)有關，前文中要求驅動單串12只LED，并在此假定紅光LED正向壓降的Uf為2 V，而綠光、藍光為3.2 V進行計算。圖l中a點電壓Ua為ΣU+UR，其中ΣU為38.4 V，UR為平衡電阻上的壓降。因此，穩(wěn)壓二極管VD5的穩(wěn)壓值應大于38.4 V.考慮到電壓裕量及元件獲得的成本和方便性，VD5選用50 V/l W的高壓穩(wěn)壓二極管，VD6選用5.1 V/0.5 W穩(wěn)壓二極管。并根據(jù)文獻[1]選擇可限流電阻R3為62Ω/2 W，見、R5分別為4.7 kΩ和22 kΩ。

為使各色LED亮度一致，需要在各個LED串上串接平衡電阻，其中與藍、綠LED串接的平衡電阻R14、R12值為UR/I，(其中UR=11.6V;I為流過支路LED的電流，取為20 mA)，則R=580 Ω，實取平衡電阻R14=R12=680Ω，同理取R9=1.4 kΩ。

2.4系統(tǒng)電路成本估算

為進一步闡明該電路成本上的優(yōu)勢，筆者依據(jù)元件供應商的價格報表，將電路中主要元件類型及價格列于表2。

表2 LED景觀燈驅動電路成本估算

從表2中可見，制作整個電源所需成本約5.3元;而如果采用其他方案，僅小功率開關電源價格為7~15元。

3 試驗與測試

以LED地埋燈(一種景觀照明燈飾)為例進行實驗，將上述電路焊接在單面的萬用焊接板上進行測試。連接全部電路，36顆LED燈珠插裝焊接在直徑112 mm的圓盤燈板上，驅動電路貼底安裝在地埋燈底端，并在所有縫隙處填上環(huán)氧灌封膠(防水、防潮)。接通AC電源，各色LED串按事先設定進行顏色的交替變化，蓋上塑料封蓋，可看到由RGB三基色合成的七彩顏色變化，基本滿足設計需求。

采用湖州升譜SPL2000電光源光色電綜合分析系統(tǒng)對電路的相關參數(shù)進行了測試，結果如下：

輸入電壓UAC為220 V時，總電流為53 mA，電路實耗功率為1.4 w，功率因數(shù)為0.385.

為進一步驗證電路工作可靠性，筆者對該產(chǎn)品做了l000h的電老化試驗，結果表明該電路能穩(wěn)定、可靠地為LED提供驅動。

4 結語

目前，半導體發(fā)光二極管(LED)雖然在常規(guī)照明技術上有許多問題亟待解決，如亮度不高，散熱問題凸顯，白光壽命較低等，但在對亮度要求不高的景觀照明中已經(jīng)獲得廣泛應用。

本文設計制作了城市亮化中用于景觀照明的LED驅動電路，經(jīng)長期的電老化試驗證實，該電路結構簡單、工作可靠、成本低廉，特別適合于目前LED燈珠占據(jù)總成本較大比重的背景下的低端市場應用。也可根據(jù)實際需求調(diào)整每串LED燈珠數(shù)，適用性較廣。每串LED燈珠數(shù)可以通過改變高壓穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值在一定范圍內(nèi)任意調(diào)整，也可以不用穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，而采用功率電阻代替法使LED燈串與集成電路不共地，但同時需在PCB板設計前期考慮實物電路的靈活性和可擴展性。