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[導讀]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用。介紹了發(fā)光二極管的電特性,并根據并聯、串聯的特點,對具有較好穩(wěn)定性與可靠性的LED串并聯組合電路加以分析。研究了用恒定輸出電流驅動大功率LED組的反

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用。介紹了發(fā)光二極管的電特性,并根據并聯、串聯的特點,對具有較好穩(wěn)定性與可靠性的LED串并聯組合電路加以分析。研究了用恒定輸出電流驅動大功率LED組的反激式電路,并給出電路參數設計。根據驅動方法,構建了10.0 V/1.10 A的輸出電路原型,并在額定負荷與過載負荷下進行測試,以檢驗電流的穩(wěn)定性。試驗結果表明,這個LED驅動電路精度高、性能穩(wěn)定、效率高,說明所提出的方法對于驅動大功率發(fā)光二極管是切實可行的。
關鍵詞:LED照明電路;反激式電路;恒定電流;驅動電路

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、穩(wěn)定性好。隨著半導體技術的快速發(fā)展,用LED作為發(fā)光器件,是未來若干年的一種發(fā)展趨勢。
    隨著大功率發(fā)光二極管在照明領域的迅速發(fā)展,研究高效的驅動方法顯得越來越重要。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,會引起器件性能退化;電流太小又會影響其亮度。因此,常采用恒定電流驅動大功率發(fā)光二極管。
    常規(guī)的線性恒流源電路結構簡單,但由于體積大效率低而不常用。為了提升電源效率,只好用開關式電源為LED供電。因DC-DC PWM轉換器效率高,常用它為LED驅動電路供電。通常,用于LED驅動電路的DC-DC PWM轉換器有三種:即BUCK型,BOOST型和BUCK-BOOST型。這三種轉換器都是非隔離型轉換器。然而,有些隔離型的DC-DC轉換器,例如反激式變換器,也可用于LED驅動電路,以獲得恒定輸出電流。反激式變轉器副邊濾波電感可以移開,以獲得電氣隔離,同時減小轉換器體積、降低成本。此外,反激式變換器可以將任意個LED接到任一直流電源,只要調整變壓器匝比即可,因而這種電路成為眾多LED驅動電路的首選。
    最近數年涌現出許多新的LED驅動電路。諧振轉換器拓撲技術一直是各種功率電路研究的課題,旨在獲得大功率、低開關功耗和低的EMI。由于這些拓撲技術起著電壓一電流轉換器的作用,其中又沒有使用電流敏感元件,因而在LED中的應用較多。具有自動調壓功能的新穎LED驅動電路,是一個電流控制、單端初級電感轉換器(SEPIC)。其中采用了順序移相PWM調光方法來調整LED的亮度。此外,LED采用的反激式集成AC-DC轉換器一直在研究如何降低其成本、提高輸出以及功率因數。
    本文提出基于反激式變換器的恒定電流電路。作為9個大功率LED管的驅動電路,其中鎮(zhèn)流器電阻以及輔助電流電路沒有必要,從而提供一個高效、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,其伏安關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指數關系,如式(1)所示:
   
    式中:q為電荷;q=1.6×10-5;k為波爾茲曼常數,k=1.38×10-23J/K;T為熱動態(tài)系數;β為常數,β取1~2。
    當電壓加在LED上,N區(qū)電子具有充足能量穿越PN結進入存在空穴的P區(qū)。當電子非常接近P區(qū)正電荷時,兩種電荷“重新組合”。正負電荷的每一次“重新組合”,就會以光子形式釋放出某頻率的量子電磁能量。因此,穿越PN結的電荷越多,發(fā)出的光也就越強。與此同時,電流也隨著發(fā)出的移動電荷成正比增加。因此,LED的亮度隨著流過電流而改變。


    圖1反映了試驗用發(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正向電壓下開始流動,之后隨正向電壓上升在額定值范圍內增加,當正向電壓升至3.3~3.5 V時,正向電流達額定值350 mA。正向電流增加,亮度也正比增強。
1.2 發(fā)光二極管的連接方法
    單個發(fā)光二極管體形很小,其亮度(取決于驅動電流)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LED供電并保障亮度。有連接方式兩種,即串聯、并聯。
    并聯LED可以在不同電流下運行,若其中一個失效(斷開),其余還可正常運行。并聯的主要不足在于,由于道閘電阻有偏差的緣故,電流均衡以及穩(wěn)定運行。此外,道閘電阻隨LED個數正比增加。
    串聯連接中,每個LED的驅動電流必然是等效的,盡管電源與道閘電阻有偏差,以保證電源-負載系統(tǒng)的穩(wěn)定運作。串聯電路更為有效,因為每個LED的亮度穩(wěn)定。串聯電路的總電壓與電流由LED的接通與損壞(斷開)情況決定的。這種情況會影響LED的亮度。在最糟糕的情形中,LED一個一個地損壞。


    考慮到串聯、并聯各自的優(yōu)缺點,該項目采用LED混聯(串-并聯)負載,恒流源電路穩(wěn)定性、可靠性俱佳。如圖2所示。
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2 驅動電路
2.1 電路狀態(tài)
    該項目提出了由反激式DC-DC轉換器組成的LED驅動電路,它帶有恒定輸出電流控制功能,驅動LED照明電路。由于有了這種驅動電路,整個LED照明電路顯得體積小、重量輕,效率較高。驅動9個大功率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是負反饋原理。高頻變壓器T1將能量從輸入端傳遞到輸出端。在集成MOSFET“導通”期間,T1在原繞組中儲存能量,輸出電流僅由輸出濾波電容C2供給。在MOSFET“關斷”期間,變壓器儲存的能量被傳輸到LED負載與C2上,這時C2被充電。輸出電流由Rd檢測并轉換為電壓。通過比較檢測電壓與參考電壓,U3產生一個控制信號。U1根據相應的控制信號調節(jié)集成MOSFET的“通/斷”時間,從而向LED負載提供恒定輸出電流。
2.2 功率管理芯片
    本文驅動器所用的功率管理芯片為IC-TNY277,屬于Tiny-SwitchⅢ系列產品,由Power Integrations公司制造。TNY277芯片把高壓電源MOSFET與電源調控器集成在一個器件上,采用“通/斷”控制技術,成本低,功率可以擴展。TNY277芯片管腳分布見圖3所示,其中D腳是功率MOSFET漏極連接處,提供內部啟動與穩(wěn)態(tài)運行工作電流;S腳內聯到輸出MOSFET源極,獲得高壓電源、控制電路公共端。EN/UV管腳有兩個功能:使能輸入、欠壓檢測。正常運行期間,功率MOSFET的切換由這個管腳來控制。
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)進行電路參數的分析。
    直流輸入電壓Ei是整流電壓Vac形成的,其最大值可表示為:
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    假設初級繞組的初始電流為零,在MOSFET“導通”期間,在初級繞組上有一固定電壓,其中的電流線性上升。在“導通”期間的末端,初級電流上升到Iip,如圖4所示。

 


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

    式中:N是初級繞組/次級繞組的匝比。
    假設:圖3的參考電壓是Vref;Rd檢測到的電壓是Vdec;穩(wěn)壓管V4的電壓是V2,那么:
   
    當Vdec大于Vref時,光電偶起作用,MOSFET“關斷”,產生輸出電流;反過來,當Vdec小于Vref時,光電偶退出運行,MOSFET轉而“導通”,輸出電流開始增加,最終獲得恒定的輸出電流。

3 實驗結果
    根據以上分析,設計并制作了(反激式變換器構成)驅動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個大功率白色的LED作為負載,它們具有本文第2節(jié)描述的特性,采用混聯方法。下面所有的實驗都是在26.3°度室溫和62.5%的濕度下完成的。[!--empirenews.page--]
    220 V交流電源供電,在額定負荷下連續(xù)運行至少90 min,每10 min對電路測試1次,以驗證其電流的穩(wěn)定性。測量結果表明,輸出電流在1.114 60~1.114 8 A范圍內變化,電流誤差為1.0%,電流穩(wěn)定性為1.0%,見圖5。


    220 V交流電源在過載運行下(LED負載串聯一個1Ω),電路持續(xù)運行至少90 min,每10min測量1次,觀測到輸出電流的變化范圍為1.115 8~1.116 0 A之間,見圖6之Io1。當LED陣列串聯一個2 Ω電阻作為負荷,輸出電流Io2保持穩(wěn)定,但大小與Io1比稍小一點,因為受變壓器T1最大輸出功率的限制。
    帶額定負荷(只帶LED)在180~260V交流下運行,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%,見圖7。

4 結語
    大功率LED光效率高、壽命長、穩(wěn)定性好,在照明電路中應用廣泛。但LED驅動電路在效率、可靠性、穩(wěn)定性方面存在不足,妨礙了成本降低、限制了運行壽命和LED照明線路的應用范圍。由于大功率LED的這些特點,本文研究了基于反激式變換器的恒流輸出電路,設計、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,測得電流誤差0.9%、電流穩(wěn)定性1.2%、電路效率78%。結果表明,本文提出的驅動方法,精度高、穩(wěn)定性好、效率高。

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