新型實驗LED 驅(qū)動裝置設(shè)計與實現(xiàn)

黃 崢， 古 鵬

(廣州大學(xué) a. 機電工程學(xué)院;b. 計算機科學(xué)與教育軟件學(xué)院，廣東 廣州510006)

0 引 言

隨著時代的發(fā)展，對LED 的研究發(fā)現(xiàn)，其功耗遠低于現(xiàn)有的傳統(tǒng)燈具，而且比現(xiàn)有節(jié)能燈具更節(jié)能、省電，在壽命、環(huán)保等方面均有不可比擬的優(yōu)越性。LED不但體積小，且具有壽命長、驅(qū)動電壓低、反應(yīng)速率快、耐震性佳、耗電少、發(fā)熱少、色彩純度高等特性。

LED 的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)光源的設(shè)計方法與思路，目前有兩種最新的設(shè)計理念:①情景照明。以場所為出發(fā)點，旨在營造一種漂亮、絢麗的光照環(huán)境，烘托場景效果，使人感覺到有場景氛圍;②情調(diào)照明。與情景照明有所不同，情調(diào)照明是動態(tài)的，可以滿足人的精神需求的照明方式，使人感到有情調(diào)。情調(diào)照明包含四個方面:一是環(huán)保節(jié)能;二是健康;三是智能化;四是人性化。本文對LED 及其驅(qū)動裝置的特性，從理論到設(shè)計進行了探討，設(shè)計是由嵌入式計算機控制模塊，對以大功率三極管為核心的恒流源電路進行控制，采用雙供、雙路輸出充電方式，且雙供電源采用獨創(chuàng)的智能無觸式電子開關(guān)，能夠自動完成供電方式的切換。

1 LED 照明特性

1.1 LED 電特性［1］

LED 的測試包括電特性、光特性、開關(guān)特性、顏色特性、熱學(xué)特性、可靠性等。作為對LED 電源的設(shè)計，對于定型的LED 產(chǎn)品主要研究電特性。

發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)是半導(dǎo)體材料制成的組件［1-2］，為一種微細的固態(tài)光源，其發(fā)光原理是在一正偏二極管PN 接合面處，自由電子與空穴發(fā)生復(fù)合作用，因自由電子由高能階掉到能量較低的價帶時，釋放出能量而產(chǎn)生光與熱。圖1 是關(guān)于單一LED 的電特性參數(shù)以及電特性與溫度的關(guān)系圖。

圖1 LED 的電特性參數(shù)關(guān)系圖

LED 必須在合適的電流、電壓驅(qū)動下才能正常工作，LED 的電特性也受溫度的影響。通過LED 電特性的測試可以獲得LED 的最大允許正向電壓、電流及反向電壓、電流，此外也可以測定LED 的最佳工作電功率。LED 的正向伏安特性具有單向?qū)щ娦院头蔷€性，外部加正向偏置電壓時，表現(xiàn)為低電阻;反之，為高電阻。

LED 伏安特性的數(shù)字模型［3］為

式中:Uturn_on為LED 的啟動電壓;T 為環(huán)境溫度;RS為伏安特性曲線的斜率;(ΔUF/ΔT)為LED 正向電壓溫度系數(shù)，它的典型值為－2 mV/°C。

從圖1 及數(shù)學(xué)模型可看出，LED 上所加的電壓大于導(dǎo)通電壓時，伏安特性曲化比較劇烈，正向電壓發(fā)生微小的變化就會導(dǎo)致正向電流發(fā)生很大的變化;環(huán)境溫度對LED 的電氣特性也有較大的影響;不同的白光LED 的特性曲線有很大差異，用單一電壓驅(qū)動這些LED 時，可造成正向電流0 ～50 mA 的差異。驅(qū)動LED 面臨著不少挑戰(zhàn)，如正向電壓會隨著溫度、電流的變化而變化，而不同個體、批次、供應(yīng)商的LED 正向電壓也會有差異;另外，LED 的“色點”也會隨著電流及溫度的變化而漂移，同一LED 電壓小、電流大比電壓大、電流小的情況其色譜要寬一些，對設(shè)計的驅(qū)動設(shè)計，如果要寬色譜一般會采用電壓小、電流大的驅(qū)動器。

1.2 LED 的排列方式［3］

LED 的排列方式直接影響了驅(qū)動電源的電流與電壓的選擇，應(yīng)用中通常會使用多顆LED，這就涉及到多顆LED 的排列方式問題。其排列方式有串聯(lián)式、并串交叉式以及并聯(lián)式;各種排列方式中，首選驅(qū)動串聯(lián)的單串LED，因為這種方式不論正向電壓如何變化，輸出電壓如何“漂移”，均提供極佳的電流匹配性能。而在交叉連接中，如果其中某個LED 因故障開路，電路中僅有1 個LED 的驅(qū)動電流會加倍，從而盡量減少對整個電路的影響。

表1、2 是對某一型號LED 模塊的參數(shù)測試(1 個模塊是由5 組LED 燈并聯(lián)，而每組又由3 個LED 燈串聯(lián)組成)匯總表，表1 及圖2 為單個模塊的測試參數(shù)與圖表。從測試數(shù)據(jù)表可以看出，即便是同一型、同一批的產(chǎn)品，其參數(shù)都具有一定的離散性。

表1 某一型號LED 模塊的電阻參數(shù)測試

圖2 單個模塊的電阻特性圖

1.3 LED 驅(qū)動的拓撲結(jié)構(gòu)［4］

(1)采用AC-DC 電源驅(qū)動LED 的方式。電路中通常加入了變壓器的隔離型AC-DC 電源轉(zhuǎn)換包含反激、正激及半橋等拓撲結(jié)構(gòu)，電源轉(zhuǎn)換的構(gòu)建模塊包括二極管、開關(guān)、電感及電容及電阻等分立元件用于執(zhí)行各自功能，而脈寬調(diào)制(PWM)穩(wěn)壓器用于控制電源轉(zhuǎn)換。

(2)采用DC-DC 電源驅(qū)動LED 的方式。可以采用的LED 驅(qū)動方式有電阻型、線性穩(wěn)壓器及開關(guān)穩(wěn)壓器等。電阻型驅(qū)動方式中，調(diào)整與LED 串聯(lián)的電流檢測電阻即可控制LED 的正向電流，這種驅(qū)動方式易于設(shè)計、成本低，且沒有電磁兼容(EMC)問題，劣勢是依賴于電壓，需要篩選LED，且能效較低。線性穩(wěn)壓器同樣易于設(shè)計且沒有EMC 問題，還支持電流穩(wěn)流及過流保護，且提供外部電流設(shè)定點，不足在于功率耗散問題，及輸入電壓要始終高于正向電壓，且能效不高。開關(guān)穩(wěn)壓器通過PWM 控制模塊不斷控制開關(guān)的開和關(guān)，進而控制電流的流動。

表2 某一型號不同LED 模塊的電阻參數(shù)測試

開關(guān)穩(wěn)壓器具有更高的能效，與電壓無關(guān)，且能控制亮度，不足則是成本相對較高，復(fù)雜度也更高，且存在電磁干擾(EMI)問題。LED DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器常見的拓撲結(jié)構(gòu)包括降壓、升壓、降壓-升壓或單端初級電感轉(zhuǎn)換器等不同類型。

(3)采用交流電源直接驅(qū)動LED 的方式。這種結(jié)構(gòu)中，LED 串以相反方向排列，工作在半周期，且LED 在線路電壓大于正向電壓時才導(dǎo)通。這種結(jié)構(gòu)具有其優(yōu)勢，如避免AC-DC 轉(zhuǎn)換所帶來的功率損耗等。但是，這種結(jié)構(gòu)中LED 在低頻開關(guān)，故人眼可能會察覺到閃爍現(xiàn)象。此外，在這種設(shè)計中還需要加入LED 保護措施，使其免受線路浪涌或瞬態(tài)的影響。

2 LED 驅(qū)動的設(shè)計的總體要求［5］

2.1 設(shè)計的總體思想

根據(jù)用電安全標(biāo)準(zhǔn)，通常LED 采用低壓安全驅(qū)動，一般情況其標(biāo)稱輸入電壓范圍在DC 3 ～40 V，AC 12 ～24 V，標(biāo)稱輸出電流一般情況在5A 以下。LED燈具選用36 V 以下的交流電源可以考慮非隔離供電，如選用220 V 和100 V 的交流電源應(yīng)考慮隔離供電;對于直接使用AC 100 ～220 V 的驅(qū)動芯片，因應(yīng)用體積苛求，在技術(shù)上還有更高的要求、更大的難度，目前各國都在努力開發(fā)中。

作為照明用的LED 光源，1 W 功率的LED 光源其標(biāo)稱工作電流約為350 mA;3 W 功率以上的LED 光源其標(biāo)稱工作電流大于700 mA，功率大的需要更大的電流。實踐數(shù)據(jù)表明，采用AC-DC 驅(qū)動LED，電源的功率因數(shù)小于0.8。LED 的排列方式及LED 光源的規(guī)范決定著基本的驅(qū)動器要求。LED 驅(qū)動器的主要功能就是在一定的工作條件范圍下，無論輸入及輸出電壓如何變化，穩(wěn)定流過LED 的電流。在LED 照明設(shè)計中，AC-DC 電源轉(zhuǎn)換與恒流驅(qū)動這兩部分電路可以采用不同配置:①整體式配置。兩者融合在一起，均位于照明燈具內(nèi)，這種配置的優(yōu)勢包括優(yōu)化能效及簡化安裝等;②分布式配置。兩者單獨存在，這種配置簡化安全考慮，并增加靈活性。

LED 驅(qū)動器根據(jù)不同的應(yīng)用要求，可以采用恒定電壓(CV)輸出工作，即輸出為一定電流范圍下鉗位的電壓;也可以采用恒定電流(CC)輸出工作，輸出的設(shè)計能嚴(yán)格限定電流;也可能會采用恒流恒壓(CCCV)輸出工作，即提供恒定輸出功率，故作為負載的LED的正向電壓確定其電流。

2.2 設(shè)計的具體要求

LED 驅(qū)動器［6］的設(shè)計需考慮的因素:①輸出功率。涉及LED 正向電壓范圍、電流及LED 排列方式等;②電源。AC-DC 電源、DC-DC 電源、直接采用AC電源驅(qū)動;③功能要求。調(diào)光要求、調(diào)光方式(模擬、數(shù)字或多級)、照明控制;④電源的電磁輻射及抗干擾要求符合各種標(biāo)準(zhǔn);⑤其他要求。能效、功率因數(shù)、溫升、尺寸、成本、故障處理(保護特性)、可靠性等。

要確定照明需求，設(shè)計目標(biāo)應(yīng)是基于現(xiàn)有燈具的性能，或者是基于應(yīng)用的照明需求，列出設(shè)計目標(biāo)，這些目標(biāo)應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的照明需求而定。設(shè)計應(yīng)列出影響的所有其他目標(biāo)，如特殊要求或者是要能受高溫，估計光學(xué)、熱和電氣系統(tǒng)的效率等等。設(shè)計目標(biāo)會對光學(xué)、熱和電氣系統(tǒng)產(chǎn)生限制，將照明目標(biāo)和系統(tǒng)效率結(jié)合起來，根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，估計的損失程度，設(shè)計出能驅(qū)動照明需要的LED 數(shù)量。

驅(qū)動輸出電流必需長久恒定，對同類LED 光源的發(fā)光亮度一致，保持最終產(chǎn)品的一致性，LED 光源才能穩(wěn)定發(fā)光，亮度不會閃爍;LED 驅(qū)動的抗EMI、噪音、耐高壓的能力也關(guān)系到整個LED 燈具產(chǎn)品能否順利通過CE、UL 等認證，因此驅(qū)動本身在設(shè)計伊始就要選用優(yōu)秀的拓撲結(jié)構(gòu)和高壓的生產(chǎn)工藝。

3 LED 驅(qū)動的系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計［7］

LED 驅(qū)動通常由供電、恒流、控制等組成，由于LED 供電壓低，提供恒流的方式采用也可以多樣性，所以，總體設(shè)計要滿足以下全部或主要要求:

(1)系統(tǒng)由交流220 V 提供直流電源。在無交流220 V 時也可采用交流與電池雙供電方式。

(2)恒流源驅(qū)動電路模塊。恒流電路的核心由一個大功率三極管或場效管等元件組成恒流電路，該電路采用嵌入式計算機進行控制，可由電子開關(guān)切換或由PWM 方式控制控制電阻的大小，三極管的基極的電流或場效管的柵極電壓，從而使LED 電流恒定。

(3)嵌入式計算控制電路模塊。由計算機控制軟件及硬件組成控制電路，控制驅(qū)動電路的電源能量控制、切換、檢測、指示、保護，以確保LED 驅(qū)動系統(tǒng)的正常工作。

(4)充電電路控制模塊。檢測電路由一個檢測芯片及其周圍電路組成，通過電子開關(guān)，串聯(lián)不同阻值的電阻，檢測輸出的電流，檢測值輸入檢測芯片控制，當(dāng)電流過大時控制電子開關(guān)電路切斷電源。

(5)在直流電源與電池之間還有充電電路和電源切換電路，充電電路的一端連接穩(wěn)壓電路的輸出端，另一端連接電池保護電路，由電池保護電路判斷是否該充電;電源切換電路的功能是令系統(tǒng)的供電方式在直流電源與電池之間切換。當(dāng)有直流電時，電池端供電斷開，充電電路給電池充電;反之，沒有直流電源時，電池供電，升壓電路工作，充電電路斷開。

(6)由于LED 驅(qū)動方式大量的采用開關(guān)電源，其電子部分會對外部產(chǎn)生一定的電磁場干擾，為了保證其干擾在可控的范圍內(nèi)，必須設(shè)計中充分考慮各種防干擾的設(shè)計。

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

圖3 為系統(tǒng)的方框圖，系統(tǒng)設(shè)計為具有一定代表性的帶保護和電池保護的LED 臺燈驅(qū)動系統(tǒng);系統(tǒng)主要由交流220 VAC-DC 12 V 穩(wěn)壓電源模塊、3.7 V 鋰電池供電模塊、恒流源驅(qū)動電路模塊、嵌入式計算機控制電路模塊、充電控制電路模塊這組成。

圖3 系統(tǒng)的方框圖

圖4［8-9］為系統(tǒng)的LED 臺燈恒流源驅(qū)動模塊電路圖，由嵌入式計算機控制，電路由兩片IC(U3、U4)、三極管Q1 等元件組成無觸點式三級LED 臺燈恒流源驅(qū)動電路;U3、C8、C9組成穩(wěn)壓電路，將VDD(5 V)穩(wěn)壓為3.3 V，作為LED 臺燈恒流源驅(qū)動模塊的標(biāo)準(zhǔn)電壓，用于恒流源電流恒定;穩(wěn)壓電路中C8、C9為濾電容，U3 為PWM 降壓式穩(wěn)壓IC。

圖4 LED 燈驅(qū)動模塊電路圖

圖5 為系統(tǒng)嵌入式計算機［10］控制模塊電路圖，C1、C2、Y1 組成嵌入式計算機晶振電路，U1 為單片機，C3為電源濾波電容，R1、R5計算機信號COM1、COM2下拉電阻，R2、R3、R4、LED1、LED2、LED3 為三級電池顯示電路。

圖5 嵌入式計算機控制模塊電路圖

圖6 為VUP5V 與DC5V 跳轉(zhuǎn)智能控制［11-12］］電路圖;系統(tǒng)正常工作時只能使用一種供電方式，當(dāng)連接外部交流電源時，即用直流電源12 V 供電時，Q2 處于截止工作狀態(tài)，鋰電池3.7 V 電池供電斷開;當(dāng)沒有外部直流電源輸入時，Q2 處于飽和工作狀態(tài)，切換到電池供電方式［13］。

圖6 5 V 跳轉(zhuǎn)智能控制電路圖

3.3 測試結(jié)果［14-15］

表3 是工作電壓18 V、12 W 的LED 模塊的測試功率測試數(shù)據(jù)。LED 照明燈具選用的驅(qū)動必需有足夠的電流輸出，設(shè)計時必須使驅(qū)動工作在滿負荷輸出的70% ～90%的最佳工作區(qū)域;因此，由交流轉(zhuǎn)換為直流電源的開關(guān)電源，不應(yīng)有過大的冗余，通常只需大于LED 功率的1.5 倍左右即可。

表3 工作電壓18 V，12 W 的LED 模塊的測試功率測試數(shù)據(jù)表

圖7 LED 臺燈電磁輻射泄漏的極限測試曲線圖

表4 LED 臺燈電磁輻射泄漏極限測試結(jié)果數(shù)據(jù) μV/m

圖7、表4 是依據(jù)設(shè)計規(guī)范完成的LED 臺燈驅(qū)動器的磁輻射泄漏的極限測試結(jié)果。測試是由香港STC完成，并提供測試數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)表明所完成的設(shè)計是成功的。

4 結(jié) 語

系統(tǒng)的設(shè)計主要有以下的特點:系統(tǒng)采用獨創(chuàng)的智能無觸式電子開關(guān)用于系統(tǒng)中的供電方式的切換，而這種獨創(chuàng)的方式，其最大的特點就是極大地減少如繼電器開關(guān)通斷切換所引起的電磁干擾。根據(jù)不同的開關(guān)特性要求，可采用不同阻抗的元件來構(gòu)成電子智能無觸式電子開關(guān)，若對阻抗參數(shù)要求不高，可采用三極管構(gòu)成電子智能無觸式電子開關(guān)用于雙供電源的切換，場效應(yīng)管開關(guān)電阻小;若要求較小的阻抗，則可用其代替晶體管。嵌入式計算機控制系統(tǒng)則采用軟件與硬件結(jié)合的控制方式，用于LED 驅(qū)動及電池的電量檢測控制;在鋰電池供電模塊和充電控制電路模塊都設(shè)有過壓、過流保護電路以確保電源不至于損壞。

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