LED照明自适应驱动电源的研制

龙兴明1,2,周静2

(1.重庆师范大学物理系,重庆 400047;2.重庆大学电气工程学院,重庆 400044)

摘 要:针对半导体发光二极管(LED)作为照明的驱动特性,设计了一种基于开关电源的自适应LED驱动电路。利用高密度电源控制芯片sa7527实现了LED的恒流驱动和过压保护,通过对输出光强和LED温度的检测实现了光衰的自动补偿功能。实际应用表明,该驱动电路可满足LED作为照明的实际需要,并且具有宽电压输入范围、高效率和光衰补偿功能。

关键词:发光二极管照明;开关恒流电源;光衰补偿

DevelopmentofadaptiveLEDlightingdriver

LONGXing2ming1,2,ZHOUJing2

(1.PhysicsDepartmentofChongqingNormalUniversity,Chongqing 400047,China)(2.EEDepartmentofChongqingUniversity,Chongqing 400044,China)

Abstract:AnadaptiveLightEmittingDiode(LED)lightingdriverbasedonswitchingpowerisproposedaccordingtotheLEDdrivercharacteristics.Thedriverhasthefunctionsofconstantcurrent,over2voltageprotectedandauto2lumenattenuationcompensationbyusingthehigh2densitypowermanageICsa7527,opticalsensorandtemperaturesensor.Thepracticalapplica2tionshowsthatthedevelopedLEDdrivermeetsthecharacteristicsofLED,furthermoreithastheadvantagesofwiderangein2putvoltage,highefficiencyandauto2attenuationcompensation.

Keywords:LEDlighting;constantcurrentswitchingpower;attenuationcompensation

1 引 言

LED具有高效、长寿命、低功耗、安全等优点,已被广泛应用于城市景观装饰、交通车站和商业广告等公众设施。近年来,随着单晶单管LED的输出功率、发光效率以及高功率封装技术的不断发展,使LED作为一般照明具有广泛的应用前景。

LED的输出光流明数和波长同PN结的温度以及电流密切相关。常规的驱动电路,如电容降压电路和开关稳压电路,将引起LED的提前老化,不能有效满足LED照明驱动的要求。因此,本文从分析LED灯珠的驱动特性出发,结合LED的驱动特性提出了一种自适应照明驱动电路。针对100个规格为Φ10的高亮白光LED阵列(功率约为25W)进行了具体设计。实验测试结果证明该驱动电路性能良好。

2 LED驱动特性

    LED作为半导体冷光光源,它同白炽灯、卤素灯、汞灯具有明显不同的驱动特性。

 2.1 电流-电压特性

电流-电压特性是LED的基本物理特性,它同一般PN结类似,具有死区电压。当输出电压超过死区电压后,随着电流的增加,PN结电压变动不大。PN结标称工作电流的大小取决于LED规格,如Φ52高亮白光LED,标称值为20mA,Φ10标称值为80mA,而1W的LED标称值电流为360mA。另外,PN结的压降大小除了与PN结电流和温度有关外,它还取决于制造材料特性。比如:当PN结温度为25°,电流为20mA时,Φ52高亮白光PN结电压约3.1V,而Φ52高亮黄光LED的PN结电压约2V。

 2.2 电流-光通量特性

电流-光通量特性是LED作为照明设计的重要指标。LED输出光通量的大小同PN结的电流大小有关,在规定电流范围,输出光通量同电流成正相关,如图1(上)。不同的制造封装厂家生产的相同规格的LED,它们的电流—光通量具有较大的区别。在20mA条件下对几个不同厂家封装的子弹头Φ52高亮白光LED样品的光通量进行测试,发现其光通量分别为4流明、3.54流明、3流明、2.5流明,有较大差别(说明:本测试数据以厂家提供的样品为测试对象);另外,在电流不变的情况下,随着工作时间的增加,光通量均有所降低。 

2.3 温度-光谱特性

光谱特性是LED光源显色指数和色温的重要依据。实验测试发现,在PN结电流不变条件下,随着PN结温度的升高,LED光源发出的波长将向长波方向移动。

图1(下)给出了LED的PN结温度分别为20°、45°和70°时的光谱曲线。从图中可见,一方面:随着温度升高,峰值波向长波移动,20°时峰值波长为584.2nm,而45°和75°时峰值波长分别为588.4nm,590.8nm;另一方面,在电流不变条件下,随着温度的升高输出光通量降低。

3 LED驱动电路设计

根据LED驱动特性的分析可见,(1)不同的LED所需的工作电压、驱动电流不同;(2)驱动电流不变的情况下,随着工作时间的增加,光通量有所降低;(3)驱动电流不变的情况下,随着温度的升高光通量降低。而LED作为一般照明必须保证其输出光强对时间和温度具有相对稳定性。因此,必须设计具有自适应功能的LED驱动电路,以提供适当的工作电压、驱动电流,并使其对工作温度等外部条件变化引起的出光特性变化作出自适应调整,以达到最佳的照明效果。

针对以上驱动特性,本文提出了基于开关电源的LED自适应驱动方案。其总体框图如图2所示。

市电(50HZ,90V～264V)经过50HZ整流后,送入由高频变压器初级绕组和开关管组成的主回路,经高频变压、整流得到所需的输出。

该结构的主控制芯片采用8脚封装的sa7527。sa7527是一块功能强大的芯片,它除了通用的PWM控制芯片的功能外,还提供了内置R/C滤波器、启动定时器、过电压保护、零电流检测、乘法器、内部带隙基准以及特殊防击穿电路等功能,内部框图如图3。

利用sa7527可以设计出周边电路简洁、低浪涌电流、高功率因素、低成本的LED驱动电源。该电源主要包括以下几个特性:(1)宽电压输入范围;(2)恒流/恒压特性;(3)自动光衰补偿功能。

以输出功率约为25W的办公室照明灯组驱动电源的设计为实例,本驱动电路的设计实现过程如下。

 3.1 主回路设计

根据设定的输出功率,首先确定LED灯组的联接形式,LED灯珠的电路连接形式不同,供电的电压电流参数有所不同。若LED灯珠串联过多,当某回路灯珠断路时,将引起整个回路灯珠死灯;反之,若并联灯珠过多,当某回路灯珠短路时,可能导致该串电流增大,引起整个回路灯珠的提前老化甚至损坏。因此,我们使用100颗Φ102LED,采用的阵列形式联接,即:20颗灯珠串联,然后5串并联。整个LED灯组的输出功率为约25W,工作电压约为63V,驱动电流约为400mA。

其次设计高频变压器。根据开关电源高频变压器的基本理论:输出功率25W,开关频率取30kHZ时,选定变压器磁心为EI25磁心。这种结构的磁心与环形磁心相比具有线圈绕制方便、分布参数影响小、磁心窗口利用率高、散热性好、系统绝缘可靠等优点;考虑到线包损耗与温升,把电流密度定为4A/mm2,那么初级和次级用Φ0.41线径的漆包线绕制,反馈用Φ0.19漆包线;计算输入/输出电压比例关系确定初/次级匝数比为:120匝:40匝,另外再加8匝sa7527反馈绕组。为了减小分布参数的影响,初级采用双线并绕连接的结构,次级采用分段绕制,串联相接的方式。在变压器的绝缘方面,线圈绝缘选用抗电强度高、介质损耗低的复合纤维绝缘纸。

驱动电源的具体电路如图4所示。主回路的开关管选用耐压1KV,电流2A的MOS场效应管,并利用场效应管源极电流检测,栅极驱动电阻限流和保护二极管4148保护场效应管可靠工作。 

3.2 功能单元设计

3.2.1 宽电压输入

把输入整流高压取样信号与输出的检测电压分别输入sa7527乘积运算的两输入端3脚和2脚(MUL端子和SO端子),运算结果作为PWM的控制信号;当输入电压降低时,乘积运算的结果减小,使PWM脉宽输出增大,保证了在宽输入范围条件下输出的稳定。

由于sa7527乘法器MUL端子的电压输入范围为0～3.8V,为了保证输入电压的宽范围,我们设正常工作电压2V(近似中间值)。因此,高压分压电阻比为(R5+R1)/R5=270V/2V(270V近似为正常220V交流输入的全波整流滤波后的电压值),由于MUL端的输入电流最大为5uA,若该取样电路的功率为1/8瓦,那么R5+R1≥900KΩ。故本设计取R1=2.7MΩ,R5=27KΩ。

3.2.2 恒流/恒压功能

利用输出端的电流取样和电压取样信号,通过光电耦合器件反馈到sa7527的反向控制输入端1脚(INV端子)。当输出电流的取样电阻压降超过0.7V时,流过光耦的电流主要受开关电源输出电流大小控制,此时开关电源工作在恒流输出状态;否则为恒压输出状态,并且输出电压大小取决于精密三端稳压TL431稳压大小。这样的自动恒流/恒压特性有利地保护了LED出现开路以及短路时可能导致的连锁性破坏。

反馈信号隔离器选用光电耦合器PC817,它的电流传输比为1∶1,工作电压VCE>1V,正向工作电流IF>1mA。由于INV端子正常工作电压为2.5V,若取电流/电压转换电阻R10=1K,则光耦在前向工作的电流IF=2.5mA。

因此,由三级管Q3、电流取样电阻R18和光耦PC817组成恒流反馈环节。当输出电流变化时,取样电阻R18的压降引起Q3基极电压的改变,使得通过光耦PC817的电流发生改变,从而达到稳流的目的。恒压输出大小由TL431精密稳压源确定。该稳压器的基准电压为2.5V,并且工作电流IRC≥1mA,那么开关电源恒压输出时电压为[(R17+R19)/R17]×2.5V。根据输出恒压的大小以及电阻的功率我们可以确定R17,R19的取值。

3.2.3 自动光衰补偿功能

由于PN结温度升高以及工作时间的增加将引起输出光通量减低,而驱动电流适当增大则可提高输出光通量。因此,为保持输出光强稳定性,利用光光路应该尽量避免比较拥塞的链路,从而减少阻塞率,并为将来的网络运行保持较好的性能。因此,目标节点根据收集到的信息,计算每条可能的光路上可用空闲波长的数量,以及每条光路所经历的跳数,求其比值,取其大者;若仍存在相似的光路,就将光路中所经过的节点的度数考虑进来,经验表明,度数越大的节点产生拥塞的可能性越大,协议将尽量避免开这样的节点。

由此可见,本文所提出的协议充分地考虑到了WDM全光网络中路由和波长分配所涉及的各种因素,包括:波长的连续性限制、路径的总开销、阻塞率、拥塞避免等,并用一种分布式的方法予以实现,是一种实用性较高的协议。

4 结 论

本文探讨了WDM全光网络中的路由及波长分配问题,深入研究了影响WDM网络的各种因素,在综合考虑各种因素的基础上,提出了一种分布式的路由及波长分配协议。该协议具有开销小、阻塞率低及可扩展性强等特点,是一种实用性较高的协议。