大功率LED驅(qū)動電源的設計要素( 一)

LED(Lighty Emitting Diode)，又稱發(fā)光二極管，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的半導體發(fā)光器件。

近幾年，LED技術取得了突飛猛進的發(fā)展，在發(fā)光亮度和效率方面具有明顯的提高，尤其是大功率LED，更被寄以厚望，并逐步取代以往的光源，成為照明領域的新一代綠色光源。它具有光效高、低功耗、壽命長、穩(wěn)定性高、光色純、安全性好、可控性強等優(yōu)點。

然而大功率LED所需的驅(qū)動電源為直流的低電壓，所以傳統(tǒng)上用以驅(qū)動燈泡(鎢絲)、日光燈、節(jié)能燈、鈉燈等光源的電源并不適合直接驅(qū)動大功率LED;而普通的降壓、穩(wěn)壓電源必須重新改良后，才能適用于驅(qū)動大功率LED。

本文根據(jù)大功率LED的工作特性，對市場上常見的驅(qū)動電源進行分析;提出了在路燈照明領域的應用中，為了能更好的發(fā)揮大功率LED的優(yōu)點，驅(qū)動電源必須滿足恒流輸出、散熱、效率、功率因素、過壓過流過溫保護等多個設計要素。

一、大功率LED的工作特性

下圖為正向?qū)▔航?VF)和正向電流的(IF)非線性關系曲線圖。由曲線可知，當正向電壓超過某個閾值，即通常所說的導通電壓之后，可近似認為，IF隨著VF的上升而急劇上升;由圖可知，大功率LED是低電壓、大電流的發(fā)光器件，當前大功率LED的最高IF可達1A，而VF一般為2～4V。

由于大功率LED的光特性通常都描述為電流(IF)的函數(shù)，而不是電壓(VF)的函數(shù)。加上LED生產(chǎn)工藝和溫度的不同，大功率LED的正向壓降(VF)變化范圍會出現(xiàn)比較大的波動(最大可達1V以上)，而由上圖中的VF-IF曲線可知，VF的微小變化會引起較大的IF變化;其LED發(fā)光的強度由流過LED的電流決定，電流過強會引起LED的衰減，電流過弱會影響LED的發(fā)光強度。所以,采用恒壓源驅(qū)動不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性和壽命。因此，大功率的LED通常采用恒流源驅(qū)動，以保證大功率LED使用的安全性，同時達到理想的發(fā)光強度。

下圖是LED的光通量(φv/lm)和溫度(℃)與關系曲線，由下圖可知光通量與溫度成反比，溫度的變化對LED的波長也有一定的影響，因此，良好的散熱是LED保持恒定亮度的保證。

二、恒電壓源模式

2.1、工頻變壓器線性穩(wěn)壓源

2.1.1、電路構(gòu)成與工作原理

如圖(三)所示，這類電源的共同特點是由工頻變壓器，整流濾波電路、恒壓電路組成;

該類型電路工頻變壓器原、副線圈完全隔離，通過調(diào)整原副線圈的變比，就可以在副邊得到需要的交流電壓，該工頻變壓器起到了隔離、降壓的作用。通過后繼的整流和穩(wěn)壓電路，就可以得到預期的直流電壓。

2.1.2、優(yōu)點：電路簡單、成本很低

2.1.3、缺點：損耗大，效率低，體積大，溫升高，亮度不穩(wěn)定

該類電路的工頻變壓器起到降壓的同時，自身的損耗也會隨負載的增大而明顯增加，導致嚴重的溫升現(xiàn)象;同時能量轉(zhuǎn)換的效率也會變低;另外由于該變壓器的物理結(jié)構(gòu)，限制了該電源體積的變小化。

該類電路在驅(qū)動大功率白光LED時，必須串聯(lián)了一RES來限制和穩(wěn)定流經(jīng)大功率白光LED的電流，否則一旦工作電流過大，超過了大功率白光LED的最大工作電流，則會導致大功率白光LED的永久性損壞，然而增加限流電阻的方法，不但增加了能量的過多損耗，而且不能解決工頻電壓的波動而導致的發(fā)光亮度不穩(wěn)定的問題;

該類電路的工頻變壓器的線圈變比決定了大功率白光LED的串聯(lián)數(shù)量，一旦選定了工頻率變壓器，則就難以增加大功率白光LED的串聯(lián)數(shù)量。為了滿足不同的發(fā)光亮度需求，只能以并聯(lián)的方式來增加大功率白光LED的數(shù)量，但是因為大功率白光LED的屬性(導通電壓、溫度)不同，很難實現(xiàn)流經(jīng)每個并聯(lián)LED分支有相同的電流，從而會出現(xiàn)各并聯(lián)的分支LED的發(fā)光亮度不一致的現(xiàn)象。

該類電路的電能轉(zhuǎn)換效率低，不能實現(xiàn)節(jié)能的目的;工頻電壓的波動和電路的溫升導致的大功率白光LED的發(fā)光亮度不穩(wěn)定，使得該電路不適用于路燈照明領域。

2.2、高頻變壓器開關穩(wěn)壓源

2.2.1、電路構(gòu)成與工作原理

如圖(四)所示，這類電源的共同特點是具有高頻變壓器，直流電壓是從變壓器次級繞組的高頻脈沖電壓整流濾波而來。變壓器原副線圈是隔離的，而輸入電壓是直接從交流市電整流得到的高壓直流。

2.2.2、優(yōu)點：功耗小，效率高，體積小，重量輕，穩(wěn)壓范圍寬

2.2.3、缺點：控制電路比較復雜，對元器件要求高，亮度不穩(wěn)定

該類電路使用了大功率開關晶體管、快速恢復二極管以及高頻變壓器，開關轉(zhuǎn)換速度很快，這使得大功率開關晶體管的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高;由于沒有采用笨重的工頻變壓器，大功率開關晶體管的功耗又很小，省去了較大的散熱片，所以電源的體積小，重量輕;關鍵在于該類電路的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調(diào)節(jié)的，工頻輸入信號電壓的變化可以通過脈沖調(diào)制來進行補償，在出現(xiàn)電網(wǎng)電壓變化較大時，仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。

該類電路在驅(qū)動大功率白光LED的原理上和工頻變壓器線性穩(wěn)壓源一樣，采用的是恒壓限流的方法，沒有符合大功率白光LED的非線性V-I曲線特性，所以在性能方面，仍存在串并連發(fā)光亮度不穩(wěn)定和發(fā)光亮度不一致的問題;

該類電路較之工頻變壓器線性穩(wěn)壓源，在效率、體積、穩(wěn)壓范圍方面有顯著的改善，所以在其他一些照明場合使用比較多，但該類電路仍不適合于路燈照明領域。