恒流LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

1、恒流式LED電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用LED 由于環(huán)保、壽命長(zhǎng)、光電效率高等眾多優(yōu)點(diǎn)，近年來在各行業(yè)的應(yīng)用得以快速發(fā)展，LED 的驅(qū)動(dòng)電源成了關(guān)注熱點(diǎn)。理論上，LED 的使用壽命在10 萬h 以上，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)方式選擇不當(dāng)，使LED 極易損壞。針對(duì)LED 照明的恒流式電源，首先闡述了LED 電源的基本工作原理，然后根據(jù)整體電路的基本架構(gòu)，給出了整個(gè)的設(shè)計(jì)思路，主要介紹了電磁干擾(EMI)濾波器、有源功率因素校正(APFC) 電路以及散熱設(shè)計(jì)。最后，介紹了LED 電源在生活中的應(yīng)用以及今后設(shè)計(jì)需要解.引言中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前我國正在創(chuàng)建資源節(jié)約型、環(huán)境

2、友好型社會(huì)，人們對(duì)于城市環(huán)境的呼聲日益高漲。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球照明耗能約占總用電量的20%，綠色照明是節(jié)省能源的重要途徑，也是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要舉措。近年來，隨著LED 技術(shù)的發(fā)展，LED產(chǎn)品已正式應(yīng)用在多項(xiàng)大型亮化工程中，例如北京奧運(yùn)村、北京長(zhǎng)安西街、西寧湟水河廊橋、上海大廈、上海高寶金融大廈、青島鑫江華潤酒店、陜西萬邦時(shí)代廣場(chǎng)、中國科技會(huì)堂、南京水游城、貴州銅仁瓦窯河大橋及武漢陽邏長(zhǎng)江大橋等一大批重要工程。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)LED 是電流控制元件，通過流過的電流，直接將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，故也稱光電轉(zhuǎn)換器。因其不存在摩擦損耗和機(jī)械損耗，所以在節(jié)能方面比一般的光源效率高，但是

3、LED 光源并不能像一般的普通光源一樣可以直接使用電網(wǎng)電壓，它必須配置一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換裝置，提供滿足其額定的電壓、電流，才能正常使用，即LED 驅(qū)動(dòng)電源。但是各種不同的LED電源其性能和轉(zhuǎn)換效率各不相同，所以選擇合適、高效的LED 驅(qū)動(dòng)電源，才能真正體現(xiàn)LED 光源的高效特性。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)1 LED 電源基本工作原理中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)采用隔離變壓器、PFC(功率因素校正，PowerFactor Correction)控制實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源，輸出恒定的電流和電壓，驅(qū)動(dòng)LED 燈。電路的總體框圖見圖1。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)

4、對(duì)于主電路部分，LED 抗浪涌的能力比較差，特別是抗反向電壓能力，加強(qiáng)這方面的保護(hù)很重要，LED 電源若用于路燈裝在戶外更要加強(qiáng)浪涌防護(hù)。由于電網(wǎng)負(fù)載的啟動(dòng)和雷擊的感應(yīng)，從電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)侵入各種浪涌，有些浪涌會(huì)導(dǎo)致LED 的損壞。因此LED 驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)具有抑制浪涌侵入，保護(hù)LED 不被損壞的能力。EMI 濾波電路主要防止電網(wǎng)上的諧波干擾串入模塊，影響控制電路的正常工作。三相交流電經(jīng)過全橋整流后變成脈動(dòng)的直流在濾波電容和電感的作用下，輸出直流電壓。主開關(guān)DC/AC 電路將直流電轉(zhuǎn)換為高頻脈沖電壓在變壓器的次級(jí)輸出。變壓器輸出的高頻脈沖經(jīng)過高頻整流、LC (無源) 濾波和EMI 濾波， 輸出LED 路

5、燈需要的直流電。PWM (脈寬調(diào)制) 控制電路采用電壓電流雙環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)整和輸出電流的限制。反饋網(wǎng)絡(luò)采用恒流恒壓器件和比較器。反饋信號(hào)通過光耦送給PFC 器件(本文選用ST 公司的L6562A)。由于使用了PFC 器件，可以使模塊的功率因數(shù)達(dá)到0.95以上2中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)控制電路根據(jù)在輸出端進(jìn)行的取樣，通過與預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變部分的控制，進(jìn)而改變開關(guān)管的輸出占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出。另外，根據(jù)取樣和檢測(cè)電路，通過控制電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)的各種保護(hù)。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)2 LED 電源設(shè)計(jì)思路中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)2.1 恒

6、流驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)勢(shì)中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)LED 路燈是低電壓、大電流的驅(qū)動(dòng)器件，其發(fā)光的強(qiáng)度由流過LED 的電流決定。電流過強(qiáng)會(huì)引起LED 的衰減，電流過弱會(huì)影響LED 的發(fā)光強(qiáng)度。從理論上來說，理想的LED 驅(qū)動(dòng)方式是采用恒壓、恒流，但考慮驅(qū)動(dòng)器的成本增加，因此采用恒流驅(qū)動(dòng)方式是比較理想的LED 驅(qū)動(dòng)方式。此LED 驅(qū)動(dòng)方式能避免LED 正向電壓的改而引起電流變動(dòng)，同時(shí)恒定的電流使LED 的亮度穩(wěn)定，可以保證大功率LED使用的安全性，達(dá)到理想的發(fā)光強(qiáng)度。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)2.2 EMI 濾波器的設(shè)計(jì)中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)由于開關(guān)電源工作在通斷狀態(tài)，會(huì)有很

7、多快速瞬變過程，它本身就是一種EMI 源，它產(chǎn)生的EMI信號(hào)有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度。若把這種電源直接用于數(shù)字設(shè)備，則設(shè)備產(chǎn)生的EMI 信號(hào)會(huì)變得更加強(qiáng)烈和復(fù)雜。以下從開關(guān)電源的工作原理出發(fā)，探討其傳導(dǎo)干擾抑制的EMI 濾波器的設(shè)計(jì)。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)EMI 濾波器是一種由電感和電容組成的低通濾波器，它能讓低頻的有用信號(hào)順利通過，而對(duì)高頻干擾有抑制作用。怎樣才能抑制這些高頻干擾信號(hào)呢?無非就是要在信號(hào)進(jìn)入設(shè)備之前把它遏制。亦即，在輸入電路部分對(duì)高頻干擾形成所謂的阻抗失配。失配越厲害，實(shí)現(xiàn)的衰減越理想，得到的插入損耗特性就越好。即如果噪音源內(nèi)阻是低阻抗的，則與之對(duì)接的EM

8、I 濾波器的輸入阻抗應(yīng)該是高阻抗(如電感量很大的串聯(lián)電感);如果噪音源內(nèi)阻是高阻抗的，則EMI濾波器的輸入阻抗應(yīng)該是低阻抗(如容量很大的并聯(lián)電容)。這個(gè)原則也是設(shè)計(jì)抑制開關(guān)電源EMI 濾波器必須遵循的3。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)幾乎所有設(shè)備的傳導(dǎo)干擾都包含共模干擾和差模干擾，開關(guān)電源也不例外。共模干擾是由于載流導(dǎo)體與大地之間的電位差產(chǎn)生的，其特點(diǎn)是兩條線上的雜訊電壓是同電位同向的;而差模干擾則是由于載流導(dǎo)體之間的電位差產(chǎn)生的，其特點(diǎn)是兩條線上的雜訊電壓是同電位反向的。通常，線路上干擾電壓的這兩種分量是同時(shí)存在的。由于線路阻抗的不平衡，兩種分量在傳輸中會(huì)互相轉(zhuǎn)變，情況十分復(fù)雜。中國照明

9、網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際使用中，由于設(shè)備所產(chǎn)生的雜訊中共模和差模的成分不同，所采用的濾波電路也有變化，可適當(dāng)增加或減少濾波元件。具體電路的調(diào)整一般要經(jīng)過EMI 試驗(yàn)后才能有滿意的結(jié)果，此外安裝濾波電路時(shí)一定要保證接地良好，并且輸入端和輸出端要良好隔離，否則起不到濾波的效果。2.3 APFC 電路的設(shè)計(jì)中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)考慮到將交流電直接整流濾波后給開關(guān)電源供電時(shí)，由于PWM 直流- 直流變換將使交流電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化，對(duì)交流電網(wǎng)不利。造成常規(guī)開關(guān)電源功率因數(shù)低的根源是整流電路后的濾波電容使輸入電流變?yōu)榧饷}沖。如果整流電路后面不加濾波電路，僅為阻性負(fù)載時(shí)，輸入電流即為正弦

10、波，并與電源電壓同相位，功率因數(shù)為1。功率因數(shù)校正技術(shù)的基本思想是將整流器與濾波電容隔開，使整流電路由容性負(fù)載變?yōu)樽栊载?fù)載4。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)人們經(jīng)過努力研制了PFC 電路，該種電路將交流電壓經(jīng)全波整流和濾波得到的直流電壓進(jìn)行直流 直流變換，并使輸入電流平均值自動(dòng)跟隨全波整流的直流基準(zhǔn)電流，且保持輸出電壓穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM 直流變換器穩(wěn)壓輸出和接近單位輸入功率因數(shù)。目前的PFC 有兩種，分別為被動(dòng)式PFC(也稱無源PFC) 和主動(dòng)式PFC (也稱有源式PFC)。被動(dòng)式PFC 一般采用電感補(bǔ)償方法使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來提高功率因數(shù);被動(dòng)式PFC 包括靜音

11、式被動(dòng)PFC 和非靜音式被動(dòng)PFC。被動(dòng)式PFC 的功率因數(shù)只能達(dá)到0.70.8，它一般在高壓濾波電容附近。而主動(dòng)式PFC，也就是有源功率因素校正電路則由電感電容及電子元器件組成，體積小、通過專用元件或集成電路去調(diào)整電流的波形，對(duì)電流與電壓間的相位差進(jìn)行補(bǔ)償。一般置于橋式整流器與濾波電容之間，實(shí)際上是一種DC-DC 變換器，主要有升壓、降壓、升壓- 降壓和回掃型4 種。其中升壓型APFC 變換器在一定輸出功率下可減小輸出電流，因而可以減小輸出濾波電容的容值和體積，同時(shí)電路的功率因素高、THD(總電流諧波畸變，Total Harmonic Distortion) 小、效率高、應(yīng)用最為廣泛。而AP

12、FC 可以達(dá)到較高的功率因數(shù)，通?？蛇_(dá)0.98 以上，但成本也相對(duì)較高。此外，APFC 還可用作輔助電源，因此在使用APFC 電路中，往往不需要待機(jī)變壓器，而且APFC輸出直流電壓的紋波很小，這種電源不必采用很大容量的濾波電容。本設(shè)計(jì)采用ST 公司推出的低成本經(jīng)濟(jì)型的有源功率因數(shù)校正控制器件L6562A，見圖25。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)2.4 散熱器的設(shè)計(jì)中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)LED 是半導(dǎo)體發(fā)光，除部分功率轉(zhuǎn)化為光能外，絕大部分功率都轉(zhuǎn)化為熱能。商家為了燈具產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)美，往往把電源與LED 燈體結(jié)構(gòu)緊密設(shè)計(jì)在一起，LED 的發(fā)熱

13、與電源的發(fā)熱疊加，這樣電源和LED 光源都處在惡劣的工作環(huán)境中，當(dāng)工作環(huán)境的溫度超過一定的溫度時(shí)，電源及LED 的壽命會(huì)大打折扣。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)本設(shè)計(jì)的LED 驅(qū)動(dòng)電源電路不與散熱系統(tǒng)緊貼在一起。采取了一些散熱措施：LED 燈采用鋁基板散熱;功率器件均勻排布，盡可能避免將LED驅(qū)動(dòng)電路與散熱部分貼近;抑制封裝至印刷電路基板的熱阻抗;提高LED 芯片的散熱順暢性以降低熱阻抗。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)特別要注意的是，為使開關(guān)電源能正常工作，給集成芯片(L6562A) 裝上鋁板作為散熱器，可以均攤熱量，增大有效的散熱面積，避免因散熱不良致使管芯溫度超過最高結(jié)溫，使開關(guān)電

14、源無法正常工作，甚至損壞芯片6。散熱器通過和芯片表面的緊密接觸使芯片的熱量傳導(dǎo)到散熱器，散熱器通常是一塊帶有很多葉片的熱的良導(dǎo)體，它的充分?jǐn)U展的表面使熱的輻射大大增加，同時(shí)流通的空氣也能帶走更大的熱能。這種散熱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，容易自制，但是不宜用于驅(qū)動(dòng)大功率LED 的開關(guān)電源。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)3 LED 電源的應(yīng)用中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)在傳統(tǒng)光源中，白熾燈、熒光燈、霓虹燈已經(jīng)隨處可見，人們對(duì)它們的存在可能已經(jīng)熟視無睹。在廣告行業(yè)當(dāng)中，霓虹燈的應(yīng)用已是非常普及，而LED 卻應(yīng)用較少。實(shí)際上，LED 作為新型的電光源，在制作大型發(fā)光立體字和發(fā)光標(biāo)識(shí)中有著明顯的

15、優(yōu)勢(shì)。霓虹燈廣告一般控制變壓器的輸入端，以此進(jìn)行掃描方式的變化，可以實(shí)現(xiàn)掃描或漸變的同步。另外，由于霓虹燈變壓器輸出端是輸出幾kV的高壓，所以控制輸出端很困難。而LED 廣告一般控制開關(guān)電源的輸出端，由于開關(guān)電源內(nèi)部有大的電解電容，如果控制輸出端時(shí)，當(dāng)輸入端斷開時(shí)，電源內(nèi)部的電解電容有一個(gè)充放電的過程，它能維持輸出端LED 繼續(xù)亮一段時(shí)間，這樣在整個(gè)廣告掃描時(shí)就會(huì)出現(xiàn)不同步的情況。再之輸出電壓低，控制輸出端成本低，可靠性高。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)在電源工作方式的選擇上，不同的應(yīng)用都有相對(duì)理想的選擇。比如用于廣告工程方面，燈光以漸變、掃描、全彩等為主，對(duì)變化亮度的均勻性要求不高，選擇

16、LED 電源以恒壓式電源為主，不同支路上的LED 燈互相不會(huì)產(chǎn)生影響，易于控制，功率可以做到很大;而用于城市景觀方面，多數(shù)以常亮的方式顯示，要求亮度均勻，選擇LED 電源以恒流式電源為主，串聯(lián)在一條支路上的LED 燈的亮度均勻，工作穩(wěn)定性很高，即通過LED 燈的電流不會(huì)因?yàn)長(zhǎng)ED 燈發(fā)熱造成電流變化。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)4 設(shè)計(jì)LED 電源中面臨的主要挑戰(zhàn)中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)盡管國內(nèi)外市場(chǎng)LED 產(chǎn)品處于如火如荼的發(fā)展態(tài)勢(shì)，但是由于LED 照明是新興的產(chǎn)業(yè)，目前還沒大面積普及和民用化，主要是一些工程試點(diǎn)應(yīng)用，同時(shí)沒有可以依照的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，每一家設(shè)計(jì)的燈具所需求的電源在

17、結(jié)構(gòu)、電氣規(guī)格上都不一樣。LED驅(qū)動(dòng)電源不可避免的在各方面面臨諸多挑戰(zhàn)：散熱欠佳會(huì)造成LED 光色的改變，使發(fā)光效率和壽命明顯衰減，尤其是關(guān)鍵器件如電容在高溫下的壽命直接影響到電源的壽命7;LED 驅(qū)動(dòng)器應(yīng)挑戰(zhàn)更高的轉(zhuǎn)換效率，尤其是在驅(qū)動(dòng)大功率LED 時(shí)更是如此，因?yàn)樗形醋鳛楣廨敵龅墓β识甲鳛闊崃亢纳ⅲ娫崔D(zhuǎn)換效率的過低，影響了LED 節(jié)能效果的發(fā)揮;以大調(diào)光比高效率地對(duì)LED 調(diào)光，同時(shí)能夠保證在高和低亮度時(shí)顏色特性恒定;降低成本，目前在功率較小(15 W) 的應(yīng)用場(chǎng)合，恒流驅(qū)動(dòng)電源成本所占的比重已經(jīng)接近1/3，已經(jīng)接近了光源的成本，一定程度上影響了市場(chǎng)推廣。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·標(biāo)準(zhǔn)所以，將LED 電源標(biāo)準(zhǔn)化從而提高通用性，降低成本，以批量化生產(chǎn)提高質(zhì)量是大家努力實(shí)現(xiàn)的