大功率LED照明電路高效驅(qū)動技術研究

張小潔，李 梅，劉廷章

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術學院，陜西 咸陽 712000；2.上海大學，上海 200444）

1 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(qū)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(qū)動大功率發(fā)光二極管。

常規(guī)的線性恒流源電路結(jié)構(gòu)簡單，但體積大、效率低，不常用。為了提升電源效率，只好用開關式電源為LED供電。DC-DC PWM轉(zhuǎn)換器效率高，常用來為LED驅(qū)動電路供電。通常，用于LED驅(qū)動電路的DC-DC PWM轉(zhuǎn)換器有BUCK型、BOOST型、BUCK-BOOST型3種，這3種都是非隔離型轉(zhuǎn)換器［4、5］。然而，有些隔離型的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，例如反激式變換器，也可用于LED驅(qū)動電路，以獲得恒定輸出電流。反激式變轉(zhuǎn)器副邊濾波電感可以移開，以獲得電氣隔離，同時減小轉(zhuǎn)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(diào)整變壓器匝比即可，因而這種電路成為眾多LED驅(qū)動電路的首選。

最近數(shù)年涌現(xiàn)出許多新的LED驅(qū)動電路。諧振轉(zhuǎn)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-電流轉(zhuǎn)換器的作用，其中又沒有使用電流敏感元件，因而對LED的應用也有興趣。具有自動調(diào)壓功能的新穎LED驅(qū)動電路，是一個電流控制、單端初級電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC），其中采用了順序移相PWM調(diào)光方法來調(diào)整LED的亮度。

回顧以上，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(qū)動電路，其中鎮(zhèn)流器電阻以及輔助電流電路沒有必要，可提供一個高效、小體積、低成本LED照明系統(tǒng)。

2 發(fā)光二極管的電氣特性

2.1 發(fā)光二極管的電特性

發(fā)光二極管的核心是PN結(jié)，其伏安關系與普通二極管相同。從理論上講，LED的正向電流與正向電壓呈現(xiàn)指數(shù)關系，如式（1）所示。

式中：電荷 q＝1.6×10-9C，波茨曼常數(shù) K＝1.38×10-23J／K，T 為熱動態(tài)系數(shù)，常數(shù) β＝1～2。

當電壓加在LED上，N區(qū)電子具有充足能量穿越PN結(jié)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(jié)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所示反映了試驗用發(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：CSHV-NL60SWG4-A2，額定功率 1W，額定電流 350mA，正向電壓 3.4V，發(fā)光效率 801m／W）。正向電流是在2.6V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(nèi)增加，當正向電壓升至3.3V-3.5V時，正向電流達額定值350mA。正向電流增加，亮度也正比增強。

圖1 發(fā)光二極管的輸出特性

2.2 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(qū)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。有串聯(lián)、并聯(lián)兩種連接方式。

并聯(lián)LED可以在不同電流下運行，特別是若其中一個失效（斷開），其余可正常運行。并聯(lián)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(shù)正比增加。

串聯(lián)連接中，每個LED的驅(qū)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(lián)電路更為有效，因為每個LED的亮度穩(wěn)定。串聯(lián)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。甚至造成LED一個一個地損壞。

考慮到串聯(lián)、并聯(lián)各自的優(yōu)缺點，本項目采用LED混聯(lián)（串-并聯(lián)）負載，恒流源電路穩(wěn)定性、可靠性俱佳，如圖2所示。

圖2 混聯(lián)接法

圖3 LED驅(qū)動電路圖

3 驅(qū)動電路

3.1 電路狀態(tài)

本項目提出了由反激式DC-DC轉(zhuǎn)換器組成的LED驅(qū)動電路，它帶有恒定輸出電流控制功能，驅(qū)動LED照明電路。有了這種驅(qū)動電路，整個LED照明電路就變得體積小、重量輕，效率較高。驅(qū)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(jù)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?shù)絃ED負載與C2上，這時C2被充電。輸出電流由Rd檢測并轉(zhuǎn)換為電壓。通過比較檢測電壓與參考電壓，U3產(chǎn)生一個控制信號。U1根據(jù)相應的控制信號調(diào)節(jié)集成MOSFET的“通／斷”時間，從而向LED負載提供恒定輸出電流。

3.2 功率管理芯片

本文驅(qū)動器所用的功率管理芯片為ICTNY277，屬于Tiny-Switch III系列產(chǎn)品。TNY277芯片把高壓電源MOSFET與電源調(diào)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芯片管腳分布如圖3所示，其中D腳是功率MOSFET漏極連接處，提供內(nèi)部啟動與穩(wěn)態(tài)運行工作電流；S腳內(nèi)聯(lián)到輸出MOSFET源極，獲得高壓電源、控制電路公共端。EN／UV管腳有使能輸入、欠壓檢測兩個功能。正常運行期間，功率MOSFET的切換由這個管腳來控制。

3.3 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(shù)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：

假設功率MOSFET的切換頻率、“導通”時間分別用f、ton來表示，那么，占空比D可按下式定義：

驅(qū)動電路的輸入功率按下式計算：

其中：Po為輸出功率，η為電路效率。原邊電流平均值Ii可由下式計算。

假設原邊繞組的初始電流為零。在MOSFET“導通”期間，在原邊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，原邊電流上升到Iip，如圖4所示。

圖4 輸出電流特性示意圖

那么，Ii與Iip之間關系可表示為：

電路的輸出功率由原邊電感與原邊電流決定，其中電感Lp可按下式計算。

在MOSFET“斷開”期間，勵磁電感中的電流迫使原繞組電壓極性反轉(zhuǎn)。由于電感中的電流不能瞬間巨變，在“斷開”瞬間，原繞組電流傳遞到副繞組后的大小為：

其中的Np、Ns分別是原繞組、副繞組線圈匝數(shù)。

在MOSFET“斷開”期間，副繞組電流線性下跌，如圖4（b）所示，其平均值按下式計算。

最后，根據(jù)式（2）-（9），電路的輸出電壓可以表示為：

其中：N為原繞組／副繞組的匝比。

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(chǎn)生輸出電流。反過來，當Vdec小于Vref時，光電偶退出運行，MOSFET轉(zhuǎn)而“導通”，輸出電流開始增加，最終獲得恒定的輸出電流。

4 實驗結(jié)果

根據(jù)以上分析，設計并制作了（反激式變換器構(gòu)成）驅(qū)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10.0V／1.10A。9個大功率白色的LED作為負載，它們具有本文第2部分描述的特性，采用混聯(lián)方法。下面所有的實驗都是在室溫26.3℃和62.5%的濕度下完成的。

220V交流電源供電，在額定負荷下連續(xù)運行至少90 min，每10 min對電路測試一次，以驗證其電流的穩(wěn)定性。測量結(jié)果表明，輸出電流在1.11460A與1.1148A范圍內(nèi)變化，電流誤差為1.0%，電流穩(wěn)定性為 1.0%，如圖 5 所示。

220V交流電源在過載運行下（LED負載串聯(lián)一個電阻），電路持續(xù)運行至少90min，每10min測量一次，觀測到輸出電流的變化范圍為1.1158A與1.1160A之間，如圖6所示。當LED陣列串聯(lián)一個2Ω電阻作為負荷，輸出電流保持穩(wěn)定，但大小與比稍小一點，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%，如圖 7所示。

圖5 額定負荷下的輸出電流

圖6 過載情形下的輸出電流

圖7 不同電壓下的輸出電流與電路效率

5 結(jié)論

大功率LED光效率高、壽命長、穩(wěn)定性好，在照明中應用廣泛。但LED驅(qū)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，本項目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10.0V／1.10A的原型電路。在180-260V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%。這些說明，本文提出的驅(qū)動方法，精度高、穩(wěn)定性好、效率高。

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