交流市电供电的大功率LED节能灯

1、交流市电供电大功率LED节能灯一、 应用前景LED发光二极管是一种高效固体发光器件，随着半导体制造技术发展, LED已从早期工作电流不过20mA,仅用于指示、显示等低亮度发光场合小 功率LED,发展到现在工作电流超安培，功率达r10W大功率白光LED, 使之将其用于高亮度照明普通发光领域成为可能。LED相比传统照明白炽 灯、荧光灯、金卤灯等具有高效率、长寿命显著优点。白光LED光效一般 为40120ml/W,预计在未来几年内可达200 ml/W以上，是白炽灯(815 ml/W) 38倍，荧光灯(3060 ml/W)广2倍。更为可贵是白光LED发光 光谱儿乎全部集中在可见光范围，而白炽灯在红外、

2、荧光灯在紫外范围还 造成了大量能量(非可见光)损失，白光LED在可见光范围实际发光效率 是白炽灯和荧光灯夕8倍以上，实际节能效果非常显著。将LED发光二极 管用于照明是节能减排一个重要研究方向，目前，国际国内均在其实用化 研究方面投入了大量人力物力。LED应用于照明在国外研究、应用较早，发展较快。但我国一些城市 也开始了大规模应用尝试，2008年奥运会，水立方照明工程就采用了 LED 照明方案，比普通照明节电60与以上；山东潍坊已安装LED路灯11000余 盏，在保证路面照度相同(甚至更优)前提下，实测比高压钠灯节电69%, 比金卤灯节电70%,每天节电超过2. 4万度。据测算，如果美国55%

3、白炽 灯、荧光灯用LED照明替代，每年可节约电费350亿美元，减排二氧化碳 7. 55亿吨；口本计划在5年内全国公共场所50%传统灯具用LED照明替代, 每年可减少60亿公升原油消耗，相当于5座1. 35*l(T6kW核电站发电量。我国也非常重视LED照明应用，目前已确定深圳、上海、南昌、厦门和大 连5个国家级半导体照明工程基地，上海世博会也确定以绿色节能为主题, 世界照明行业知名公司欧司朗、飞利浦、西门子和HP等都争先及之合作, 以促进LED在照明方面应用。今年，科技部批准了全国16个省市21个城 市为“十城万盏”半导体照明应用工程试点城市。这项工程目标是到2011 年，在试点城市市政工程推

4、广应用600万盏半导体照明产品，直接拉动内 需150亿元；到2015年，半导体照明进入30%通用照明市场。可以肯定， 在未来若干年间LED在照明领域研究和应用是一个绝对热门研究方向，应 用前景十分广阔。二、电路原理 1、大功率LED伏安特性1 .从伏安特性上可以看出，电源电压10%变化(3. 4V-3. IV),就会引 起正向电流3. 5倍变化(从350mA变到100mA)。2 .温度系数通常是-2mV/度(T.5-2.5mV/° C),也就是随着温度升 高，其伏安特性左移，假如所加电压为恒定，那么显然电流会增加。而LED 本身效率很低，温升很高，加电以后，假如散热不好，其温度很容易

5、上升 到八、九十度以上。假定采用3. 3V恒压源常温下工作在20mA,而温度升 高到85度时，电流就会增加到35-37mA,而其亮度并不增加。电流增加只 会使它温升更高，这样就会增加光衰，降低寿命。3 .任何市电供电系统里，都需要一个AC/DC开关电源。一般有两种供 电方法，一种是在开关电源里加上恒流反馈控制电路，保证输出电流恒定。 但是这种方法大多只能单路大电流输出，而且恒流精度不高。还有一种是, 前面采用恒压电源，后面加很多路恒流模块，这种方案灵活性很高，恒流 精度也高。2、驱动电路结构及原理图示电路为以反激式开关电源为基础设计驱动5个1W (350mA)大功率 LED节能灯电路。开关电源

6、电路AC输入电压为185265V, DC输出电压为18V (3. 5V*5=18V),输出电流为350mA。IC1为ST公司生产VIPer22A智能功率 开关电路芯片，内置PWM (工作频率约60kHz)控制电路和0. 7A/730V功率 MOSFET,在20W以下中小功率开关电源电路中得到广泛应用。在一次侧，D1D4和C1构成桥式整流电容滤波电路，将220v,交流电转 换为约400V直流电，R1为开机限流保护电阻，可以减少开机时浪涌电流,并可做保险丝用；Ul( VIPer22A特性另述)和开关变压器初级绕组N1 (32) 构成反激式开关电源电路，D5、R2、C3构成吸收回路，D6、C4为提供

7、U1工 作电源(约15V/DC)辅助电源电路。在二次侧，D7 (FR107快恢复二极管或肖特基二极管)、C6、C7构成二 次侧整流滤波电路；R3、C5为吸收回路，R12和D8为假负载和输出指示； R5为电流取样电阻及Q (9014)构成限流电路(0. 35A), C8为慢启动电容, 防止启动时输出电容冲击电流产生误动作；RIO、R11为电压取样电阻及U3 (TL431为2. 5V基准电压电路)构成稳压电路；U2 (PC817)为光耦芯片， 现实电气隔离和反馈控制，R7为其限流电阻，R6为TL431偏置电阻偏置电 阻。变压器T在高频下工作，故体积比工频电源变压器小得多。N1为初级 绕组，N2为次

8、级绕组，N3为UIVcc偏置绕组。开关变压器T采用E19磁芯， N1为135匝(电感值为2mH,漏感为60 u H), N2为23匝，N3为9匝。变压器次 级侧中R5(2Q)为输出电流检测电阻，它及Q (9014)电流比较器(CC)等组 成电流控制回路，电阻分压器RIO、R11及TL431组成电压控制电路。输出 电流和电压两个控制回路经光耦器PC817反馈到U1FB (3)脚，控制PWM占 空比，当输出电流大于0.35A或输出电压超过18V时，流过TL431和PC817(1/2)脚电流(Ifb)将增加，则式中：R2=230欧，IdMOSFET工作电流将减小。3、Viper22A 特性1. VI

9、PERX2A 描述VIPerX2A是一个单封装产品，在同一颗芯片上整合了一个专用电流式PWM 控制器和一个高压功率场效应MOS晶体管。这种方法可以减少组件数量， 降低系统成本，简化电路板设计。因此，这个产品家族广泛用于离线开关 式电源。此外，该系列产品还采用微型SMD封装（SO-8）。VIPer系列待 机功耗（小于1W）符合蓝天使和能源之星等节能标准。1.1. 一般特性VIPerx2A产品采用ST VIPower M0-3高压专利技术，M0-3高压技术利用 一个P型掩埋层方法，允许在同一颗芯片上集成低压系统（PWM）和电流 垂直流动功率级，如图2所示。VIPerX2A产品有以下一般特性：- 自

10、动热关断- 高压启动电流源输入交流电压范围85-265Vac输出1 12V输出2 5V/400mA（连接输出1线性稳压器）纹波电流50mA连续电流输出电流（12V和5V） 600mA峰值电流，小于5分钟待机功耗- 防止输出短路导致击穿故障打嗝（HICCUP）模式- 保证低负载条件下低功耗突发模式而且，VIPower M0-3技术还可用于开发最小击穿电压为730V功率场效应M0S晶体管。表2说明了该产品在不同封装和工作条件下功率处理能力。图2:MO-3技术示意图表2：在不同封装和工作条件下功率处理能力宽压范围（85-265V）宽压范围（85-265V）单电源电压范围（180-265V）单电源电压

11、范围（180-265V）S0-8DIPS0-8DIPVIPerl2A5W8W8W13WVIPer22A7W12W12W20W1.2. 结构框图通过仔细观察图3示意图，我们不难看出功率级是由含有一个快速比 较器电流式结构驱动，驱动电流来自NMO Ssense和feed-back （FB）两 个引脚。比较器输出连接到消隐时间模块，以确保导通时间最短。只需一 个外部振荡器，即可将开关频率固定在60kHz,从而不再需要其它外部组 件。其它内部模块是内部电源稳压器和过热检测器，前者在VDD引脚上能 够支持45V,后者在170° C （典型值）时提供热关断功能。该产品系统控 制是一个电流模式结构

12、，在这个结构中，N-MOS感应电流和FB电流汇合 在电阻器R2上。电阻R2上电压取决于这个电流值大小，然后，这个电压 值及一个内部固定参考电压（0.23V）比较。比较器输出用于驱动场效应 MOS晶体管，因此，开关频率取决于反馈电流和Id电流值大小。在这个 应用中，反馈回路实现方法是通过一个光耦合器利用输出电压驱动这个FB 引脚，以保证输入出输出之间绝缘。监视VDD电压是一个磁滞比较器，它 能够管理启动电流生成器。事实上，只要VDD电压值大于VDDON电压值, 比较器就会导通，并给VDD电容器充电。一旦达到这个条件，功率场效应 MOS晶体管就立即开始开关操作。突发模式工作原理是跳过相同开关周 期

13、，以便在负载减弱时降低功耗。4、TL431 特性德州仪器公司(TI)生产TL431是一是一个有良好热稳定性能三端可 调分流基准源。它输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref (2. 5V) 到36V范围内任何值(如图2)。该器件典型动态阻抗为0.2Q,在很多应 用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电 源，开关电源等等。左图是该器件符号。3个引脚分别为:阴极(CATHODE)、阳极(ANODE) 和参考端(REF)o TL431具体功能可以用如图1功能模块示意。由图可以看到，VI是一个内部2. 5V基准源，接在运放反相输入端。由运放特性可知，只有当REF端(同相端

14、)电压非常接近VI (2. 5V)时， 三极管中才会有一个稳定非饱和电流通过，而且随着REF端电压微小变化, 通过三极管图1电流将从1到100mA变化。当然，该图绝不是TL431实 际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。但如果在设计、分析 应用TL431电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助，本 文一些分析也将基于此模块而展开。三、装调要求1、首先要提醒同学们注意是安全问题！因为这是在交流市电（强电）条件 下实验。特别注意要防止触电和有极性元器件（比如二极管、电解电容、 变压器绕组等）极性不能接反。2、安装顺序：a.高压侧先焊接好除开关变压器T和U1 （可以焊好DIP8插座）外所有元件， 特别注意二极管和电解电容极性，Dl4为1N4007, D5为FR107, D6为 lN4148o焊接完成后，通电检测310V直流电压是否正常。b.低压侧焊接完