高亮度LED驅(qū)動電源解析

現(xiàn)在大街上隨處可見的LED顯示屏，還有裝飾用的LED彩燈以及LED車燈，處處可見LED燈的身影，LED已經(jīng)融入到生活中的每一個角落。針對現(xiàn)有LED驅(qū)動電路存在電解電容限制壽命的不足，提出了一種無電解電容的LED驅(qū)動電路的設(shè)計方法。

該方法采用Panasonic松下MIP553內(nèi)置PFC可調(diào)光LED驅(qū)動電路的芯片，與外部非隔離底邊斬波電路合成作為基本的電路結(jié)構(gòu)，輸出穩(wěn)定的電流用以滿足LED工作的需要。同時設(shè)計保護(hù)電路來保護(hù)負(fù)載。實驗結(jié)果表明，控制器芯片能穩(wěn)定工作，并且可以實現(xiàn)27V的恒壓輸出和350mA的恒流輸出。LED(發(fā)光二極管)以其節(jié)能、環(huán)保、高亮度、長壽命等諸多優(yōu)點成為新一代的綠色照明光源。隨著LED照明技術(shù)的日漸成熟，它終將用于生活的各個方面，并成為照明光源的新寵。然而，高效率、低成本、高功率因數(shù)和長壽命的驅(qū)動電源是LED燈發(fā)光品質(zhì)和整體性能的關(guān)鍵。

現(xiàn)在市面上替代一般燈泡的LED燈是白熾燈泡壽命的約40倍，相當(dāng)于4萬小時。由于LED是直流電流驅(qū)動零件，通過流過的電流，直接將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，因此也稱為光電轉(zhuǎn)換器。因為不存在摩擦、機(jī)械損耗，所以在節(jié)能方面比一般的光源的效率高。但是，當(dāng)AC電源接通時，一般是使用整流零件和平滑回路的直流穩(wěn)定化電源，該平滑回路中必要的電解電容會因周圍的溫度及自身的發(fā)熱而上升10℃，而導(dǎo)致壽命減半所以電解電容阻礙了LED照明器具的壽命。

為了提高驅(qū)動電源的壽命、簡化電路、降低成本以及提高功率密度，有必要去掉電解電容，為此文中提出一種無電解電容的高亮度LED驅(qū)動電源。

1 LED電源的基本工作原理

采用BUCK變換器、IPD控制實現(xiàn)開關(guān)電源，輸出恒定的電流和電壓，驅(qū)動LED燈。電路的總體框圖如圖1所示。

主電路部分，在市電之后緊接著接了一個濾波器，它的作用是濾除電源中的高次諧波以及電源中的浪涌，使得控制電路受電源的干擾小。輸入整流部分采用一體式的整流橋，通過二極管的單向?qū)ǖ奶匦詫㈦娖皆诹泓c上下浮動的交流電轉(zhuǎn)換為單向的脈動的直流電，再在濾波電容和電感的作用下，輸出直流電壓。經(jīng)過MIP553和BUCK電路的調(diào)節(jié)和控制后輸出供LED使用的電壓。

2 LED電源的具體設(shè)計

2.1 輸入電路的設(shè)計

為了延長LED驅(qū)動電源的使用壽命，使之與LED相匹配，必須要去除電路中的電解電容。電路的設(shè)計指標(biāo)為：輸入交流電壓Vm：198—264VAC/50Hz;輸出電壓Vo：27VDC;輸出電流Io：0.35A。輸入電路包括噪聲濾波裝置、安全保險裝置以及輸入整流裝置，如圖2所示。

噪聲濾波裝置主要由電容C1/C2/C3和電感L1組成，其作用是在小于1MHz的頻段內(nèi)，能夠減少電磁干擾(EMI)。此裝置也可以鏈接在AC交流之后，整流裝置之前，其濾波效果是一樣的。安全保險裝置由保險絲和ZNR1組成，保險絲主要防止有危害電路的尖峰電流產(chǎn)生的時候迅速切斷電路以保護(hù)負(fù)載;ZNR1是浪涌吸收器，對于來自輸入端的靜電和浪涌進(jìn)行吸收，以此來保護(hù)后面的電路。輸入整流裝置，是將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，輸入整流橋的選擇：整流橋二極管的電壓應(yīng)力為：

考慮裕量，選用TSC GBL205(VR=600V，IFAN=1A)。

2.2 輸出電路的設(shè)計

輸出電路由基本的BUCK電路和一個穩(wěn)壓二極管DD1組成。如圖3所示。

2.2.1 BUCK變換器及其優(yōu)勢

Buck變換器又稱為降壓變換器、串聯(lián)開關(guān)穩(wěn)壓器、三端開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器，是一種輸出電壓等于或小于輸入電壓的單管非隔離DC/DC變換器。

工作中的輸入電流is，在開關(guān)閉合時，is>0;在開關(guān)打開時，is=0，故is是脈動的，但輸出電流io在電感、二極管、電容的作用下卻是連續(xù)的、平穩(wěn)的。特別適合為LED提供工作電流。FRD1的選擇標(biāo)準(zhǔn)：額定電流大于2倍的輸出電流，額定電壓大于輸入電壓，其反向恢復(fù)時間也要在100ns以內(nèi)，考慮裕量，F(xiàn)RD1的參數(shù)為：15A，600V，trr=50ns。用類似的方法選擇T1和Cout，那么其參數(shù)分別為：T1：680μH;Cout：1μF，50V。

2.2.2 穩(wěn)壓二極管DD1

在低輸入電壓的某范圍內(nèi)，若沒有像DD1的這種反向裝置，那么在開關(guān)關(guān)斷的瞬間將會有反向電流流過IPD，而IPD是不允許有這種電流的，因為這種反向電流將會導(dǎo)致IPD的損壞。DD1所受到的各應(yīng)力：IDD>2·Io=2×0.35=0.7A，UDD>Uo，反向恢復(fù)時間trr<100ns?？紤]裕量，其選擇的參數(shù)為：3A/60V/75ns。

2.2.3 保護(hù)電路

MIP553內(nèi)置過壓、過流、過熱、LED短路的保護(hù)電路，但并無LED開路時保護(hù)電路的設(shè)計。LED開路時的保護(hù)電路的思想主要有穩(wěn)壓二極管保護(hù)、三極管保護(hù)、偏壓線圈保護(hù)等，考慮到成本和結(jié)構(gòu)，文中選擇具有穩(wěn)壓二極管的保護(hù)電路。其電路圖如圖3所示。當(dāng)LED開路時，輸出電壓上升，若輸出電路有穩(wěn)壓二極管的保護(hù)電路，那么穩(wěn)壓二極管將LED的電壓嵌位在二極管的壓降之下，這樣就能防止輸出電容的毀壞。

2.3 控制電路的設(shè)計

控制電路由MIP553及其外圍電路組成，如圖4所示。

MIP553芯片實現(xiàn)寬電壓85～277V/AC輸入，內(nèi)置MOS，結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定，可不需要電解電容，支持隔離或非隔離方案，單電源輸出功率6～30W，恒定電流輸出<1A。電源具有過壓、過流、過熱保護(hù)功能，安全穩(wěn)定性高，體積小，發(fā)熱量低，電源效率≥80%，功率因數(shù)≥95%，THD<20%。MIP553的漏極電流由引腳CL和EX控制，因此連接這兩個引腳的電阻RCL、REX的設(shè)置將直接影響漏極電流的大小。最大漏極電流可由REX來確定，考慮到這個最大漏極電流要流經(jīng)LED，因此設(shè)置參考值時應(yīng)該注意。

REX=(VDD(ON)-VEXH)/IEX=(6.5-2.8)/103=36kΩ (3)其中，假設(shè)輸入電壓100V，輸出電壓28V，電流：400mA，最大漏極電流設(shè)為1.0A。

CVDD、CEX、CCL的作用是穩(wěn)定MIP553的運(yùn)行、抑制外部噪聲。因此，其值要選擇得當(dāng)。CVDD，穩(wěn)定VDD的電壓、抑制LED的閃爍，特性不受溫度影響、不產(chǎn)生額外的噪聲，參考標(biāo)準(zhǔn)值為1～10μF之間;CEX，抑制外部噪聲進(jìn)入EX引腳，其參考標(biāo)準(zhǔn)值在470～1000pF之間;CCL，抑制外部噪聲進(jìn)入CL引腳，如果其值太大的話，那么pF值將會受到嚴(yán)重的影響，因此其值應(yīng)小于1000pF。

2.4 仿真結(jié)果

利用Multisim對電路進(jìn)行仿真，得到的結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，輸出電壓穩(wěn)定在27V，電流穩(wěn)定在0-35A，符合設(shè)計要求。

3 LED電源的挑戰(zhàn)

LED作為新型的電光源，在制作大型發(fā)光立體字和發(fā)光標(biāo)識中有著明顯的優(yōu)勢，其控制電壓低，成本低，可靠性高。雖然LED產(chǎn)品在國內(nèi)外市場有著愈演愈烈的發(fā)展趨勢，但是LED照明畢竟是新興的產(chǎn)業(yè)，目前還沒有廣泛的普及，因此LED驅(qū)動電源不可避免的在各方面存在著挑戰(zhàn)：首先，由于LED的正向電壓會隨著電流和溫度而變化，其“色點”也會隨著電流和溫度而漂移，為了保證LED的正常工作，就要求其驅(qū)動器無論在輸 入條件和正向電壓如何變化的情況下都要限制電流。其次，如果需要LED調(diào)光，通常采用的是脈寬調(diào)制調(diào)光技術(shù)，典型的PWM頻率是1～3kHz。 最后，LED驅(qū)動電路的功率處理能力必須充足，且功能強(qiáng)固，可以承受多種故障條件，易于實現(xiàn)。

4 結(jié)束語

LED是一種節(jié)能、高效、環(huán)保的綠色照明，對它的驅(qū)動電路研究非常重要。文中介紹了利用MIP553進(jìn)行設(shè)計的LED驅(qū)動電源，并通過仿真證明了其輸出電流的穩(wěn)定性，有很好的應(yīng)用前景。雖然LED在生活中處處可見，但是LED也還有一些不足需要我們的設(shè)計人員擁有更加專業(yè)的知識儲備，這樣才能設(shè)計出更加符合生活所需的產(chǎn)品。