大功率LED照明电路高效驱动技术研究

大功率LED照明电路高效驱动技术研究 张小洁1 李梅1 刘廷章2 （1．陕西工业职业技术学院  陕西咸阳 712000 2．上海大学  上海 200444） 摘要：大功率发光二极管因其良好的性能而在照明中得到广泛应用。本文首先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。之后，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10.0V/1.10A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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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；恒定电流；驱动电路 Research on High-Efficiency Driving Technology for High Power LED Lighting Zhangxiaojie1 limei1  liutingzhang2 （1. Shaanxi Polytechnic Institute Shaanxi XianYang 712000 2.Shanghai University 200444） Abstract：High power LED (Light Emitting Diode) has a wide application in lighting for its good features. In this paper, electrical properties of LED are first introduced, and then a series-parallel connection of LED with more stability and reliability is adopted on the basis of the features of parallel connection and series connection. After that, a flyback circuit for driving high power LED group with a constant-output-current is investigated, and the parameters are designed. According to the driving method, a circuit prototype with an output of 10.0V/1.10A is fabricated and tested in rated load and overload conditions to verify its current stability. Experimental results show that the LED drive circuit has a high accuracy, good stability and high efficiency, suggesting that the proposed method might be practical for driving high power LED. Keywords：LED lighting; flyback; constant current; drive circuit I 导言 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。通常，用于LED驱动电路的DC-DC PWM转换器有三种：即BUCK型、BOOST型、BUCK-BOOST型，这三种都是非隔离型转换器[4]-[5]。然而，有些隔离型的DC-DC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。由于这些拓扑技术起着电压-电流转换器的作用，其中又没有使用电流敏感元件，因而对LED的应用也有兴趣。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用的反激式集成AC-DC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。 回顾以上，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。 II 发光二极管的电气特性 A、发光二极管的电特性 发光二极管的核心是PN结，其伏安关系与普通二极管相同。从理论上讲，LED的正向电流与正向电压呈现指数关系，如方程（1）所示。                       （1） 上式中，电荷 ，波茨曼常数 ，T为热动态系数， 是常数 。 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。 a) 正向电压电流特性                    b) 正向电流与亮度特性 图1 发光二极管的输出特性 图1反映了试验用发光二极管的正向电压与电流的特性、正向电流与亮度的特性（管子型号：CSHV-NL60SWG4-A2，额定功率1瓦，额定电流350mA，正向电压3.4V，发光效率801m/W）。正向电流是在2.6V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3.3V-3.5V时，正向电流达额定值350mA。正向电流增加，亮度也正比增强。 B、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。有两种连接方式，即串联、并联。 并联LED可以在不同电流下运行，特别是若其中一个失效（断开），其余可正常运行。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，本项目采用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。 图2  混联接法 III 驱动电路 A 、电路状态 本项目提出了由反激式DC-DC转换器组成的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。 图3  LED驱动电路图 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“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。 B 、功率管理芯片 本文驱动器所用的功率管理芯片为IC-TNY277，属于Tiny-Switch III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”控制技术，成本低，功率可以扩展。TNY277芯片管脚分布见图3，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。EN/UV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。 C、 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 是整流电压 形成的，其最大值可表示为     　             　  ( 2 ) 假设功率MOSFET的切换频率、“导通”时间分别用f、ton来表示，那么，占空比D可按下式定义：                             （3） 驱动电路的输入功率按下式计算：                             （4） 其中Po是输出功率， 是电路效率。原边电流平均值 可由下式计算                     （5） 假设原边绕组的初始电流为零。在MOSFET“导通”期间，在原边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，原边电流上升到 ，如图4所示。 图4 那么， 与 之间关系可表示为：                           （6） 电路的输出功率由原边电感 与原边电流 决定，其中电感 可按下式计算                                                                            （7） 在MOSFET“断开”期间，励磁电感中的电流迫使原绕组电压极性反转。由于电感中的电流不能瞬间巨变，在“断开”瞬间，原绕组电流传递到副绕组后的大小为:                       （8） 其中的Np、Ns分别是原绕组、副绕组线圈匝数。 在MOSFET“断开”期间，副绕组电流线性下跌，如图4（b）所示，其平均值按下式计算                         （9） 最后，根据式（2）-（9），电路的输出电压可以表示为下式                 （10） 其中的N是原绕组/副绕组的匝比。 假设，图3的参考电压是 ，Rd检测到的电压是 ，稳压管V4的电压是 ，那么                         （11）                             （12） 当 大于 时，光电偶起作用，MOSFET“关断”，产生输出电流。反过来，当 小于 时，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。 IV 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180-260V交流电，电路输出为10.0V/1.10A。9个大功率白色的LED作为负载，它们具有本文第II部分描述的特性，采用混联方法。下面所有的实验都是在26.3度室温和62.5%的湿度下完成的。 220V交流电源供电，在额定负荷下连续运行至少90分钟，每10分钟对电路测试一次，以验证其电流的稳定性。测量结果表明，输出电流在1.11460A与1.1148A范围内变化，电流误差为1.0%，电流稳定性为1.0%，见图5。 图5  额定负荷下的输出电流 220V交流电源在过载运行下（LED负载串联一个1电阻），电路持续运行至少90分钟，每10分钟测量一次，观测到输出电流的变化范围为1.1158A与1.1160A之间，见图6之 。当LED阵列串联一个2欧电阻作为负荷，输出电流 保持稳定，但大小与 比稍小一点，因为受变压器T1最大输出功率的限制。 图6  过载情形下的输出电流 带额定负荷（只带LED），在180-260V交流下运行，输出电流 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。 图7  不同电压下的输出电流与电路效率 V 结论 大功率LED光效率高、寿命长、稳定性好，在照明中应用广泛。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，本项目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10.0V/1.10A的原型电路。在180-260V交流电压下，测得电流误差0.9%、电流稳定性1.2%、电路效率78%。这些说明，本文提出的驱动方法，精度高、稳定性好、效率高。 [参考资料:] 1.刘廷章.基于反激式变换的LED恒流驱动技术研究  刘廷章  2009。 2.王健. 太阳能驱动的LED照明系统研究. 上海大学硕士学位论文，2009。 3.张占松 蔡宣三，《开关电源的原理与设计》，第一版，电子工业出版社，1998年6月 4.21. 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