大功率LED照明电路高效驱动技术研究.pdf

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1、大功率大功率 LEDLED 照明电路高效驱动技术研究照明电路高效驱动技术研究摘要：大功率发光二极管因其良好的性能在照明中得到广泛应用.介绍了发光二极管的电特性，并根据并联、串联的特点，对具有较好稳定性与可靠性的LED 串并联组合电路加以分析。研究了用恒定输出电流驱动大功率LED 组的反激式电路，并给出电路参数设计。根据驱动方法,构建了 100 V110 A的输出电路原型，并在额定负荷与过载负荷下进行测试,以检验电流的稳定性。试验结果表明,这个 LED 驱动电路精度高、性能稳定、效率高，说明所提出的方法对于驱动大功率发光二极管是切实可行的。关键词:LED 照明电路；反激式电路；恒定电流；驱动电路

2、0 引言作为一种光源，大功率发光二极管发光效率高、寿命长、稳定性好.随着半导体技术的快速发展，用 LED 作为发光器件，是未来若干年的一种发展趋势。随着大功率发光二极管在照明领域的迅速发展，研究高效的驱动方法显得越来越重要。发光二极管是低压大电流器件，因而小的电压变化会引起较大的电流变化。LED 的光度主要取决于它的电流：电流太大，会引起器件性能退化；电流太小又会影响其亮度。因此,常采用恒定电流驱动大功率发光二极管。常规的线性恒流源电路结构简单，但由于体积大效率低而不常用。为了提升电源效率，只好用开关式电源为 LED 供电.因 DC-DC PWM转换器效率高，常用它为 LED 驱动电路供电。通

3、常，用于 LED 驱动电路的 DC-DC PWM 转换器有三种：即 BUCK 型，BOOST 型和 BUCKBOOST 型.这三种转换器都是非隔离型转换器。然而，有些隔离型的DCDC转换器，例如反激式变换器,也可用于 LED 驱动电路，以获得恒定输出电流。反激式变转器副边滤波电感可以移开,以获得电气隔离，同时减小转换器体积、降低成本。此外,反激式变换器可以将任意个 LED 接到任一直流电源，只要调整变压器匝比即可,因而这种电路成为众多 LED 驱动电路的首选。最近数年涌现出许多新的LED 驱动电路.谐振转换器拓扑技术一直是各种功率电路研究的课题，旨在获得大功率、低开关功耗和低的EMI。由于这些

4、拓扑技术起着电压一电流转换器的作用，其中又没有使用电流敏感元件，因而在 LED 中的应用较多.具有自动调压功能的新颖 LED 驱动电路，是一个电流控制、单端初级电感转换器(SEPIC).其中采用了顺序移相 PWM 调光方法来调整 LED 的亮度。此外,LED 采用的反激式集成 ACDC 转换器一直在研究如何降低其成本、提高输出以及功率因数.本文提出基于反激式变换器的恒定电流电路。作为9 个大功率 LED 管的驱动电路，其中镇流器电阻以及辅助电流电路没有必要，从而提供一个高效、小体积、低成本LED 照明系统.1 发光二极管的电气特性11 发光二极管的电特性发光二极管的核心是PN 结，其伏安关系与

5、普通二极管相同。从理论而言，LED 的正向电流与正向电压呈现指数关系,如式（1）所示：式中：q 为电荷；q=1610-5；k 为波尔兹曼常数，k=13810-23JK；T 为热动态系数；为常数,取 12.当电压加在LED 上,N 区电子具有充足能量穿越PN 结进入存在空穴的P 区.当电子非常接近 P 区正电荷时,两种电荷“重新组合”。正负电荷的每一次“重新组合”，就会以光子形式释放出某频率的量子电磁能量。因此，穿越PN 结的电荷越多，发出的光也就越强。与此同时，电流也随着发出的移动电荷成正比增加。因此，LED 的亮度随着流过电流而改变。图 1 反映了试验用发光二极管的正向电压与电流的特性、正向

6、电流与亮度的特性（管子型号为 CSHV-NL60SWG4-A2，额定功率 1 W，额定电流 350 mA，正向电压为 34 V，发光效率为 801 mW)，正向电流是在 26 V正向电压下开始流动，之后随正向电压上升在额定值范围内增加,当正向电压升至 3335 V时,正向电流达额定值 350 mA。正向电流增加,亮度也正比增强。12 发光二极管的连接方法单个发光二极管体形很小，其亮度（取决于驱动电流）不能满足一般照明要求。为获得足够亮度，必须把若干 LED 相连接,用恒流源为每个 LED 供电并保障亮度。有连接方式两种，即串联、并联。并联 LED 可以在不同电流下运行，若其中一个失效（断开），

7、其余还可正常运行。并联的主要不足在于，由于道闸电阻有偏差的缘故，电流均衡以及稳定运行.此外，道闸电阻随LED 个数正比增加。串联连接中，每个 LED 的驱动电流必然是等效的，尽管电源与道闸电阻有偏差,以保证电源负载系统的稳定运作。串联电路更为有效，因为每个 LED 的亮度稳定.串联电路的总电压与电流由 LED 的接通与损坏(断开)情况决定的。这种情况会影响 LED 的亮度。在最糟糕的情形中，LED 一个一个地损坏.考虑到串联、并联各自的优缺点,该项目采用 LED 混联(串并联）负载,恒流源电路稳定性、可靠性俱佳。如图2 所示.2 驱动电路21 电路状态该项目提出了由反激式DCDC 转换器组成的

8、 LED 驱动电路，它带有恒定输出电流控制功能，驱动 LED 照明电路。由于有了这种驱动电路,整个 LED 照明电路显得体积小、重量轻,效率较高。驱动 9 个大功率 LED 的电路如图 3 所示.其中：T1 是高频变压器;C1 是输入滤波电容;C2 是输出滤波电容;Ei 是直流输入电压（桥式整流电压中的);Vo 是输出电压；Ii 是输入电流；Io 是输出电流；Di 是整流二极管;Rd 是电流检测电阻;U1 是 MOSFET 做成的功率管理集成电路；U2 是光电偶,用以光电隔离；U3 是比较器。恒定电流输出电路的依据是负反馈原理。高频变压器 T1 将能量从输入端传递到输出端。在集成MOSFET“

9、导通”期间,T1在原绕组中储存能量，输出电流仅由输出滤波电容C2供给。在 MOSFET“关断”期间,变压器储存的能量被传输到LED 负载与 C2 上，这时 C2 被充电。输出电流由 Rd 检测并转换为电压。通过比较检测电压与参考电压,U3 产生一个控制信号。U1 根据相应的控制信号调节集成MOSFET 的“通断时间，从而向LED 负载提供恒定输出电流。22 功率管理芯片本文驱动器所用的功率管理芯片为ICTNY277,属于 Tiny-Switch系列产品,由Power Integrations 公司制造。TNY277 芯片把高压电源 MOSFET 与电源调控器集成在一个器件上，采用“通断”控制技

10、术，成本低，功率可以扩展。TNY277 芯片管脚分布见图 3 所示，其中 D 脚是功率 MOSFET 漏极连接处，提供内部启动与稳态运行工作电流;S脚内联到输出 MOSFET 源极，获得高压电源、控制电路公共端。ENUV 管脚有两个功能：使能输入、欠压检测。正常运行期间,功率 MOSFET 的切换由这个管脚来控制.23 恒定输出电流电路的分析本文采用反激式变换器的恒定输出电流电路，这一节进行电路参数的分析。直流输入电压 Ei 是整流电压 Vac 形成的,其最大值可表示为:假设初级绕组的初始电流为零，在MOSFET“导通”期间，在初级绕组上有一固定电压,其中的电流线性上升.在“导通”期间的末端，

11、初级电流上升到Iip，如图 4 所示。在 MOSFET“断开”期间，励磁电感中的电流迫使初级绕组电压极性反转。由于电感中的电流不能瞬间巨变，在“断开瞬间，初级绕组电流传递到次级绕组后的大小为：式中：Np,Ns 分别是初级绕组、次级绕组线圈匝数.在 MOSFET“断开”期间,次级绕组电流线性下跌,如图 4（b）所示，其平均值按下式计算：式中：N 是初级绕组次级绕组的匝比。假设：图 3 的参考电压是 Vref；Rd 检测到的电压是 Vdec；稳压管 V4 的电压是 V2,那么：当 Vdec 大于 Vref 时，光电偶起作用，MOSFET“关断”，产生输出电流；反过来,当 Vdec小于 Vref 时

12、,光电偶退出运行，MOSFET 转而“导通”，输出电流开始增加，最终获得恒定的输出电流。3 实验结果根据以上分析，设计并制作了(反激式变换器构成)驱动 LED 的恒定电流电路原型，其输入电压范围为 180260V 交流电，电路输出为 10.0 V110 A.以 9 个大功率白色的LED 作为负载,它们具有本文第 2 节描述的特性，采用混联方法。下面所有的实验都是在263度室温和 625%的湿度下完成的。220 V 交流电源供电，在额定负荷下连续运行至少90 min，每 10 min 对电路测试 1次，以验证其电流的稳定性。测量结果表明，输出电流在1114 601114 8 A 范围内变化，电流

13、误差为 10，电流稳定性为 10,见图 5。220 V 交流电源在过载运行下(LED 负载串联一个 1)，电路持续运行至少90 min，每 10min 测量 1 次,观测到输出电流的变化范围为1115 81116 0 A之间，见图 6之 Io1.当 LED 阵列串联一个 2 电阻作为负荷，输出电流Io2 保持稳定，但大小与 Io1比稍小一点，因为受变压器T1 最大输出功率的限制。带额定负荷(只带 LED）在 180260V 交流下运行,输出电流 Io 近似为 1。11A，电路效率基本上在 78%，电流误差 0.9，电流稳定性 1.2，见图 7。4 结语大功率 LED 光效率高、寿命长、稳定性好，在照明电路中应用广泛。但LED 驱动电路在效率、可靠性、稳定性方面存在不足,妨碍了成本降低、限制了运行寿命和LED 照明线路的应用范围。由于大功率 LED 的这些特点，本文研究了基于反激式变换器的恒流输出电路，设计、制作出输出 100 V110 A的原型电路。在 180260 V交流电压下，测得电流误差 09、电流稳定性 12%、电路效率 78。结果表明，本文提出的驱动方法，精度高、稳定性好、效率高。