LED照明電源驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用探討

林中進(jìn)

LED以高光效、長壽命的優(yōu)點獲得了廣泛關(guān)注。其節(jié)能的優(yōu)點對綠色環(huán)保有積極的意義。LED驅(qū)動技術(shù)是當(dāng)前的研究熱點之一。在LED快速發(fā)展過程中，大量的機遇與挑戰(zhàn)同時出現(xiàn)，對LED照明應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，以從中分析出LED照明應(yīng)用的發(fā)展趨勢顯得非常必要。通過分析各種文獻(xiàn)和應(yīng)用，總結(jié)了LED照明應(yīng)用現(xiàn)狀的典型特征，即LED與其他光源并存、定制化與標(biāo)準(zhǔn)化并存、網(wǎng)絡(luò)化控制興起等特征。根據(jù)這些應(yīng)用現(xiàn)狀對LED驅(qū)動技術(shù)的進(jìn)行了分析，提出了高適應(yīng)性LED驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的思路，以期對LED照明應(yīng)用有所推動。

【關(guān)鍵詞】LED照明 電源驅(qū)動技術(shù) 應(yīng)用探討

1 導(dǎo)言

城市照明除了滿足人們的基本需求外，也是城市現(xiàn)代化的標(biāo)志和推動社會經(jīng)濟發(fā)展的物質(zhì)條件。當(dāng)前，城市道路照明耗能占盞照明領(lǐng)域總耗能30%，由于LED光源有著高光效、長壽命、環(huán)保等優(yōu)點，替代傳統(tǒng)路燈高壓鈉燈成為趨勢并逐步普及。LED新光源的導(dǎo)入，對電源驅(qū)動技術(shù)提出了新的課題。

2 LED發(fā)光原理和驅(qū)動技術(shù)

2.1 發(fā)光原理

所謂發(fā)光二極管就是LED，目前PN 結(jié)是LED的最重要的內(nèi)容之一，LED 有一般 P-N 結(jié)的很多特點，比如說反向截止和正向?qū)ㄌ匦?。在一定情況下，LED 有發(fā)光特性。在LED的基本發(fā)光原理來講，在LED的兩頭加上正向電壓，電子將從 N 區(qū)向 P 區(qū)注入，空穴則由 P 區(qū)向 N 區(qū)流動。在少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合后，將會發(fā)光。如果在P 區(qū)發(fā)光，注入的電子與空穴直接復(fù)合或在被發(fā)光中心捕獲后與空穴復(fù)合。另外，非發(fā)光中心也會捕捉一些電子的，這樣的光是不能見的光。相比較而言，非發(fā)光的復(fù)合，要想使LED的光量子發(fā)揮的效率高，發(fā)光復(fù)合量就必須越大。由于，發(fā)光的區(qū)域是有較少的載流子擴散的，光只是在PN結(jié)面產(chǎn)生幾微米。整體來講，光與電的轉(zhuǎn)換過程就是LED 發(fā)光。在LED正在工作時，電流從電的陽極流入陰極。一般在禁帶寬度比較寬的情況時，會出現(xiàn)相比較大的能量，光子波長的則比較短。這是由于半導(dǎo)體晶體的不同，而導(dǎo)致LED光的顏色也不同，光線的強度也就不相同。

2.2 驅(qū)動技術(shù)

輸入電流的大與小直接影響著LED光的亮度。為了促進(jìn)LED的光亮度增加，要使LED都連接到一塊，并且要按照一定的方式連接，這樣才能針對LED電流值不同的問題得到解決。也可以采取一些驅(qū)動的方式，例如說把每一個連接的LED都安裝一個調(diào)整器。這種調(diào)整器是線性的，相比較價格會便宜一些，但是也會降低工作效率。既想滿足LED電流的各方面條件，也要滿足串電壓的條件，就必須在前端安裝開關(guān)與電壓調(diào)整器連接。采取這種驅(qū)動方式對電壓源沒有高穩(wěn)定度、高精度要求， LED 串聯(lián)數(shù)量也不受 IC 限制。此外，還可以采取使開關(guān)電源本身以恒流方式輸出的驅(qū)動方式，利用BUCK 電路和 BOOST 電路分別完成降壓和升壓，進(jìn)而實現(xiàn) LED供電系統(tǒng)的靈活設(shè)計。

3 電源工作原理

由于具有相對較高的熱特性要求，LED驅(qū)動電源設(shè)計效率需要90%以上，并且質(zhì)量輕，體積小，功率因數(shù)要求高于0.95。同時，LED驅(qū)動電源EMI測試余量不應(yīng)小于6db，5年以上的保質(zhì)期等等。目前，常用的LED驅(qū)動電源為BUCK電路、BOOST電路以及各種組合方式等。

3.1 BUCK電路工作原理

BUCK電路即為降壓式變換電路，包括低通濾波器、二極管、電源切換開關(guān)。當(dāng)開光管導(dǎo)通條件下，輸入電壓通過開光管、低通濾波器作用在負(fù)載和電感上。當(dāng)電感有壓降時，電感電流上升，并且形成磁場儲存能量。除了給負(fù)載提供電流外，也給電容充電。當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉時，電感兩端電壓極性反轉(zhuǎn)，使二極管導(dǎo)通，電容的儲能又可以通過二極管將能量作用于負(fù)載。因此在轉(zhuǎn)換的過程中，電感和電容除了儲能，構(gòu)成了低通濾波器的作用，可以過濾掉高壓脈沖高頻成分的影響。輸出電壓低于輸入電壓。

3.2 BOOST電路工作原理

BOOST即升壓式變換電路，改變有源開關(guān)、電容器、電感器和無源開關(guān)二極管和其他組件。輸出電容充電到額定輸出電壓，通過有源開關(guān)作用在電感，電感電流逐漸增加，并且形成磁場儲存能量。二極管因低電平而反向截止，電容給負(fù)載提供能量，輸出給電感儲能。當(dāng)有源開關(guān)關(guān)閉時，電感電壓極性反轉(zhuǎn)，二極管獲得高電平而導(dǎo)通，電感給負(fù)載提供能量，同時給電容充電。由于存在電感電壓，因此輸出與輸入存在電壓差，輸出電壓高于輸入電壓。

3.3 反激式準(zhǔn)諧振電路工作原理

反激式準(zhǔn)諧振電路是隔離的BUCK和BOOST電路組合變換器。開關(guān)管導(dǎo)通時，可以通過電感電流，可用于存儲能量。因為變壓器初級繞組和次次繞組極性不同，所以開關(guān)二極管低電平被截止，電壓無法作用于負(fù)載。當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉時，電感極性相反，二極管導(dǎo)通，電壓給電容充電并作用于負(fù)載。因此，高頻變壓器不僅起到了隔離作用，還具有儲能的作用。當(dāng)通過直流電流，產(chǎn)生一定的去磁，變壓器又會變得不飽和，因此變壓器能量在不斷的儲存和釋放的狀態(tài)，形成了初級和次級回路的能量傳遞，最終形成穩(wěn)定輸出電流的模式。

3.4 LLC諧振電路工作原理

作為一種新型的轉(zhuǎn)換器器，，LLC是一種二次電路可用于分布式電源諧振轉(zhuǎn)換器。在電路設(shè)計時，為滿足LED驅(qū)動電源的高效率，選用場效應(yīng)晶體管作為開關(guān)，使場效應(yīng)晶體管作用在正弦電壓或電流的情況下，在正弦波的過零點瞬間進(jìn)行開關(guān)，減少電路損耗，提高電源效率。從功能組成來看，LLC轉(zhuǎn)換器控制是全橋變換器或半橋變換器與負(fù)載諧振回路組成。諧振電路的作用下，形成正弦電壓或電流，通過開通或者關(guān)閉的開關(guān)作用，開關(guān)與電壓或者電流過零點同步實施?？稍谥C振電路中加入變壓器，變壓器作為并聯(lián)電感的作用，最終達(dá)到隔離效果。

4 LED驅(qū)動電源的設(shè)計

4.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路

Led驅(qū)動電源電路結(jié)構(gòu)基本可以分為隔離和非隔離兩種類型。追求電源效率更高，拓?fù)潆娐肥亲顑?yōu)的選擇。拓?fù)潆娐凡捎玫氖欠歉綦x方式，由半橋開關(guān)電路和LC回路組成，電源損耗低，電源效率可達(dá)92%以上。LED驅(qū)動電源基于高功率因數(shù)恒流輸出的要求，主要采取雙級開關(guān)電源設(shè)計，前級是功率因數(shù)校正設(shè)計，后級是恒流設(shè)計。前級一方面進(jìn)行功率因數(shù)校正，提高PF值，另一方面進(jìn)行升壓處理，一確保穩(wěn)定的高壓輸出。后級恒流設(shè)計，主要是由半橋開關(guān)電路和LC振蕩電路的簡單循環(huán)，，輸出端使用半波整流電路來避免高頻交流電（ac）的上下浮動突然，，最終達(dá)到恒流輸出，提高發(fā)光二極管的工作壽命。

4.2 工作原理

拓?fù)潆娐返陌霕蜷_關(guān)電路和LC回路里，其中半橋開關(guān)電路由兩個開關(guān)管和功率因數(shù)校正IC組成，通過IC調(diào)整占空比，改變信號交替波形，將直流高壓斬波成接近方波的交流電壓。在LC回路里，作用就是將半橋開光電路獲得的交流電壓通過整流，形成LED驅(qū)動所需要的電路波形。

4.3 恒流控制

恒流控制，主要是半橋驅(qū)動IC 進(jìn)行編程，改變輸出信號頻率，采用PFM調(diào)制來獲得恒定的電流輸出。在輸出回路中對電流進(jìn)行采樣，并反饋到PFM調(diào)制模塊里，與基準(zhǔn)電壓信號進(jìn)行對比，根據(jù)基準(zhǔn)電壓信號頻率與調(diào)節(jié)信號頻率的關(guān)系，改變通過調(diào)節(jié)IC的輸出信號頻率，使頻率與電流達(dá)到動態(tài)平衡，最終達(dá)到所需要的恒定電流輸出，滿足LED驅(qū)動的要求。

4.4 自動光衰補償功能設(shè)計

在LED中，p型和n型半導(dǎo)體半導(dǎo)體替換的存在區(qū)域，該地區(qū)的極端簡單的溫度增加，當(dāng)LED照明系統(tǒng)工作時間太長，會導(dǎo)致光減弱，影響照明效果。因此在設(shè)計電路時，采取一定的方式提高恒定電流的功率輸出，增加LED的輸出功率，保持光通量不變，從而達(dá)到光衰補償?shù)墓δ茉O(shè)計。

5 結(jié)語

根據(jù)LED驅(qū)動的特性，分析LED工作特性和驅(qū)動電源工作原理，探討拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路設(shè)計在LED電源上的應(yīng)用，滿足高效率、高功率因數(shù)、恒流輸出，自動光衰補償功能設(shè)計等要求，為LED驅(qū)動電源和控制技術(shù)的發(fā)展可以提供一個設(shè)計參考。

參考文獻(xiàn)

[1]黃登科.LED照明驅(qū)動電源關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[2]韓少韋.LED驅(qū)動電源的研究與設(shè)計[D].上海：東華大學(xué)，2014.

[3]帥孟奇.LED驅(qū)動電源及其控制技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].廣州：華南理工大學(xué)，2011.

[4]蔣富貴，何志毅.LED照明電源的驅(qū)動技術(shù)與應(yīng)用[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報，2013（05）：358-362.

[5]黃天宏.LED照明技術(shù)的研究和設(shè)計實例[D].長沙：湖南大學(xué)，2009.

[6]穆戰(zhàn)順，李建民.LED照明驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用[A].河南省照明學(xué)會（HenanIlluminatingEngineeringSociety）.《節(jié)能照明控制與LED技術(shù)學(xué)術(shù)論壇》論文集[C].河南省照明學(xué)會（HenanIlluminatingEngineeringSociety），2010：5.

[7]李環(huán)平.LED驅(qū)動電源的研究與設(shè)計[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010.

[8]張珊.LED照明開關(guān)電源的研究與設(shè)計[D].大連：大連交通大學(xué)，2014.

作者單位

廣州市立喬科技有限公司 廣東省廣州市 511400