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。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。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
引言
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,不常用。为了提升电
源效率,只好用开关式电源为LED供电。DC-DCPWM转换器效率高,常用来为LED驱动电路供电。通常,用于LED驱动电路的DC-DCPWM转换器有BUCK型、BOOST型、BUCK-BOOST型3种,这3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。
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,可提供一个高效、小体积、低成本LED照明系统。
2发光二极管的电气特性
2.1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,如式(1)所示。
IF=I0eqVFβKT-!"1(1)
式中:电荷q=1.6×10-9C,波茨曼常数K=1.38×10-23J/K,T为热动态系数,常数β=1~2。
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。
图1所示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1W,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。
2.2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。有串联、并联两种连接方式。
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。甚至造成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。
3驱动电路
3.1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。有了这种驱动电路,整个LED照明电路就变得体积小、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。
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。
3.2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-SwitchIII系列
产品。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芯片管脚分布如图3所示,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管脚有使能输入、欠压检测两个功能。正常运行期间,功率MOSFET的切换由这个管脚来控制。
3.3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Ei是整流电压VAC形成的,其最大值可表示为:
Eimax=2姨×VACmax(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:
D=ton×f(3)
驱动电路的输入功率按下式计算:
Pi=Poη(4)
其中:Po为输出功率,η为电路效率。原边电流平均值Ii可由下式计算。
Ii=PiEimax=Poη×Eimax(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Iip,如图4所示。
那么,Ii与Iip之间关系可表示为:
Iip=2Iif×ton(6)
电路的输出功率由原边电感与原边电流决定,其中电感Lp可按下式计算。
Lp=Eimax×tonIip(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:
Isp=Iip×NpNs!"(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。
Is=Isp×(1-f×ton)2(9)
最后,根据式(2)-(9),电路的输出电压可以表示为:
V0=η×EimaxN×f×ton1-f×ton!"(10)
其中:N为原绕组/副绕组的匝比。
假设,图3的参考电压是Vref,Rd检测到的电压是Vdec,稳压管V4的电压
是V2,那么
Vref=V2×R2R2+R3(11)
Vdec=I0×Rd(12)
当Vdec大于Vref时,光电偶起作用,MOSFET“关断”,产生输出电流。反
过来,当Vdec小于Vref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。
4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2部分描述的特性,采用混联方法。下面所有的实验都是在室温26.3℃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90min,每10min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%,如图5所示。
220V交流电源在过载运行下(LED负载串联一个电阻),电路持续运行至少
90min,每10min测量一次,观测到输出电流的变化范围为1.1158A与1.1160A之间,如图6所示。当LED阵列串联一个2Ω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。
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%,如图7所示。
5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。