用于LED照明的非開關(guān)電源驅(qū)動電路的分析

任堰牛

(西南石油大學電氣信息學院，四川成都610500)

LED照明具有環(huán)保、節(jié)能和壽命長等優(yōu)勢，備受廠家青睞。為保證高可靠性，驅(qū)動LED的電流需要保持恒定，常見驅(qū)動方案包括線性恒流驅(qū)動和開關(guān)恒流驅(qū)動兩種電路。

在一些室內(nèi)低功率的LED照明產(chǎn)品中可能會采用低成本的線性電源驅(qū)動器，在常規(guī)條件下，這些驅(qū)動電路工作正常，但是當電網(wǎng)電壓波動頻繁時，就可能出現(xiàn)LED燈珠閃爍的現(xiàn)象甚至驅(qū)動電路發(fā)熱量增加，效率降低。因此有必要找出問題產(chǎn)生的原因并改進電路方案。

1 電路分析

為分析說明問題的方便，這里都以驅(qū)動額定工作電壓120 V的LED燈珠串為例，燈珠串的排列方式為每4個LED燈并聯(lián)成一組，共40組串聯(lián)而成。

1.1 阻容驅(qū)動電路

這類電路以圖1所示為典型代表，C1在交流通路上起著降壓作用，交流通過橋堆整流和電容C2濾波，在C2兩端形成脈動直流電壓驅(qū)動LED發(fā)光。其中R1和R2有安全放電作用，R3起限流作用同時也可通過檢測R3兩端電壓來推算流過燈珠串的電流Io的大小。

圖1 阻容驅(qū)動電路

交流220 V供電正常時，燈珠串電流Io的波動情況如圖2(a)所示。從圖2可看出電容C2兩端電壓UC2波動并不大，但是由于LED工作電流對工作電壓變化極其敏感，所以LED驅(qū)動電流Io在26~74 mA波動，紋波約為45%。由于波動周期為100 Hz，人眼一般不會感覺出亮度變化。阻容驅(qū)動電路中LED的工作電流紋波一般都很大，這會降低LED工作壽命[1]。

當電網(wǎng)供電電壓隨機波動時，LED電流波動也是隨機的，如圖2(b)所示。如果平均電流波動間隔達到幾百毫秒，人眼可明顯感覺閃爍。

圖2 阻容驅(qū)動電路中U C2和U R3

1.2 簡單線性恒流驅(qū)動電路

這類驅(qū)動電路一般將恒壓源轉(zhuǎn)換為恒流源，比如以三端穩(wěn)壓源7805為基礎(chǔ)[2]或者如圖3所示[3]，用電壓基準源TL431和三極管可構(gòu)成恒流源。理論上流過LED燈珠串的電流約為流過電阻R4的電流，后者大小為2.5 V/33Ω=75.7 mA。實際上當交流電壓位于220~250 V范圍內(nèi)，驅(qū)動LED的電流位于74.5~81.3 mA內(nèi)；而當交流電壓低于220 V越多，LED燈珠串的電流就低于75 mA越多。圖4顯示不同交流電壓條件下，檢測電阻R3的電壓UR3，可反映流過LED燈珠電流的情況。

圖3 簡單線性恒流驅(qū)動電路

圖4 不同交流電壓下圖3所示電路的U R3

這種電路有兩個突出問題：第一，當交流電壓高于235 V，三極管管壓降明顯增大，發(fā)熱量增加，電源整體效率也降低不少，如表1所示。第二，當交流電壓在180~220 V隨機波動，流過LED的電流也有一定程度波動，如圖5所示，可能還是有閃爍現(xiàn)象，所以這種驅(qū)動電路的理想的工作電壓范圍非常窄。

表1 圖3所示驅(qū)動電源的效率

圖5 交流電壓180~220 V隨機變化下圖3所示電路的U R3

1.3 開關(guān)斬波-線性恒流驅(qū)動

在前面的線性驅(qū)動電路基礎(chǔ)上增加斬波電路[4]，可以使得交流電壓工作范圍擴大。如圖6所示，電阻R1與R2構(gòu)成一個分壓器，可以推算斬波閾值電壓VTH=(1+R1/R2)×24.6 V=131 V。當全橋整流的輸出電壓低于VTH時，齊納二極管D5和三極管Q1都關(guān)斷，齊納二極管D6反向?qū)?，MOSFET Q2導通，C1將充電。當全橋整流的輸出電壓超過VTH時，D5負極的電壓達到24.6 V，齊納二極管D5反向?qū)?，使Q1導通，從而將Q2的柵極拉低，使其關(guān)斷，這樣就不會對電容C1充電，而是C1向LED放電，維持LED的工作電流，直到下一次充電周期到來。電路中的齊納二極管D6用于保護Q2的柵極。

圖6 開關(guān)斬波-線性恒流驅(qū)動電路

考慮到元器件實際工作參數(shù)，交流電壓在120~250 V內(nèi)，實際上C1兩端電壓一般都在130~145 V內(nèi)。即使交流電壓隨機變化，C1和R6端電壓波形的水平位置和峰峰值幾乎無任何改變，如圖7所示，可以推算出LED電流都維持在 (75±3)mA，電源效率也維持在83%±2%。

圖7 交流電壓120~250 V隨機變化下圖6所示電路的U C1和U R6

2 結(jié)論

通過三種低成本驅(qū)動電路工作情況的對比分析，可知阻容驅(qū)動和簡單線性恒流驅(qū)動電路的交流工作電壓范圍比較窄。開關(guān)斬波-線性恒流驅(qū)動具有效率較高且穩(wěn)定的特性以及電路簡單、成本低的優(yōu)勢，同時由于電路中無電感，也就無需考慮EMI問題。當然對于大功率LED照明，復雜的開關(guān)恒流驅(qū)動器是理想選擇。

[1]KOLLMAN R.高效率LED驅(qū)動電源設(shè)計[J].今日電子，2011(4):45-46.

[2]林繼鋼，俞安琪.LED驅(qū)動電路簡介[J].中國照明電器，2007(9):10.

[3]劉艷，汪毅，賈雯杰，等.一種常見精密恒流源的改進與應用[J].電測與儀表，2011(4):93-94.

[4]BABU T.Offlinesupply drives LEDs[J].EDN,2011(4)：58-59.