大功率LED灯具电源驱动的分析与研究

1、大功率LE D 灯具电源驱动的分析与研究公文礼(西安科灵自动化科技有限公司,西安710119摘要:LE D 灯具的散热和电源驱动一直是制约其应用发展的两大难题,该文通过对大功率LE D 光源的特性和灯具对驱动电源要求的分析,结合现阶段应用比较成熟的几种LE D 驱动电源方案的研究,说明了在灯具设计时,除了解决好LED 灯具的散热外,不论采用哪种驱动方式,都应该做到真正的恒流驱动控制,这样才能够保证LE D 灯具持续可靠稳定地工作,从而减少LE D 光衰,延长灯具的使用寿命。关键词:电源驱动;工作特性;线性驱动;开关电源;P WM 控制The Analysis and Study of Hi g

2、h 2power LE D Lamps Power Supply Dri verGong W en li(X i an Keling A uto m ation Technology Co .,L td,X i an 710119Abstract:The app licati on and devel opment of H igh 2power LE D lighting al w ays be restricted by t w o bigest p r oble m s which are heat dissi pati on and power 2driven .I n this pa

3、per,the characteristics of high power LED light s ource and the perfor mance require ment of driving power is analyzed,and combined with the study of many p resent more mature p r ogra m of the LE D drive power,t o say that,in the lighting design,besides t o s olve the heat dissi pati on of LED ligh

4、ting,t o ensure that,in the lighting design,besides t o s olve the heat dissi pati on of LE D lighting,t o ensure that the true constant 2current drive contr ol at any drive mode is necessary,s o as t o make sure the LED lighting work continuously,reliably and stability,t o reduce the decline of LED

5、 light s ource,t o extend the la mp s life .Keywords:power drive;operating characteristics;linear drive;s witching po wer supp ly;P WM contr ol0引言LED 作为第四代新型光源,具有使用寿命长、发光效率高、功耗低、启动时间短、显色指数高、工作温度低、结构牢固、不怕震动、方向性好、工作电压低、无紫外辐射、重量轻等众多优点。已经得到越来越广泛的应用。特别是40W 以下的大功率LE D 工矿照明已经伴随着国家节能减排的号召得到了普及和应用,但由于路灯、隧道灯等

6、大型LE D 灯具正处于研制和实验阶段,所以对于电源的设计和性能上的提高也就有了迫切的需求。1大功率LE D 灯具对电源驱动的技术要求根据照明灯具的设计规范并结合LE D 的电气性能要求,在设计LE D 驱动电源电路时要满足以下几点。1.1电路工作要高可靠性LE D 灯具的长寿命特性决定与其配套的驱动电源,也要能够长期稳定可靠地工作。1.2高效率驱动电路是一种专为LED 供电的特种电源,除具 有简单的电路结构、较小的占用体积外,要有较高的转换效率。电源的效率高了,它的功耗也就小,在灯具内发热量就小,也就降低了灯具的温升。由于LED 的发光效率随着LED温度的升高而下降,所以对LED 的散热非常

7、重要,也就对延缓LE D的光衰有利。1.3高功率因数功率因数是电网对负载的要求。一般70W以下的用电器,没有强制性指标。虽然功率不大的单个用电器功率因数低一点对电网的影响不大,但在用电高峰期,同类负载太集中,会对电网产生较严重的影响,所以势必对功率因数方面有一定的指标要求。1.4驱动方式一般比较合理的驱动方式有两种:一种是一个恒压源供多个恒流源,每个恒流源单独给每路LE D供电。这种方式,组合灵活,一路LED故障,不影响其他LED的工作,但成本会略高一点。另一种是直接恒流供电,灯具的LED串联或并联组合。它的优点是成本低一点,但灵活性差,同时因LE D个体特性的差异容易导致LED自身电流电压分

8、配的不均,从而影响了自身的寿命。多路恒流输出供电方式,成本较低且性能较好。这也是目前大多数路灯驱动的主流方向。1.5浪涌保护LED抗浪涌的能力是比较差的,特别是抗反向电压能力,加强这方面的保护也很重要,特别是LE D路灯。由于电网负载的启甩和雷击的感应,电网系统会侵入各种浪涌,有些浪涌会导致LE D的损坏。因此LED驱动电源在设计时要有抑制浪涌的侵入,保护LED不被损坏的能力。1.6保护功能电源除了常规的保护功能外,最好在恒流输出中增加LED温度负反馈功能,以防止LE D温度过高;在异常状态(LE D开路、短路、驱动电路故障时,电路能够对自身和LE D起到良好的保护作用。1.7防护方面由于灯具

9、大多为户外安装,所以灯具结构上要防水、防潮,外壳要耐高低温剧变。1.8寿命驱动电源的寿命要与LE D的寿命相匹配;驱动电路的输出电参数(电流、电压要与被驱动的LE D组合的技术参数相匹配,同时提供较高精度的恒流控制、合适的限压功能;如果多路输出时,每一路的输出应该能够单独控制;某些特定场所,还要具有线性度较好的调光功能,来满足不同时段对LE D发光亮度调节的要求。1.9其他要求驱动电源要符合安规和电磁兼容等方面的要求。2大功率LE D的工作特性图1为正向导通压降(V f和正向电流(If的非线性关系曲线图。由曲线图中可知,当正向电压超过某个阈值(导通电压之后,可近似认为,If随着V f的上升而急

10、剧上升;由于大功率LED是低电压、大电流的发光器件,当前大功率LE D的最高If可达1A,而V f 一般为24V 。图1正向压降(V f和正向电流(If非线性关系曲线图由于大功率LED的光特性通常被描述为电流(If的函数,而不是电压(V f的函数。加上LED生产工艺和温度的不同,大功率LED的正向压降(V f变化范围会出现比较大的波动(最大可达1V以上,而由图1中的V f2If曲线可知,V f的微小变化会引起较大的If变化;其LED发光的强度由流过LED 的电流决定,电流过强会引起LED的衰减,电流过弱会影响LED的发光强度。所以,采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性,并且影响LED的可靠

11、性和寿命。因此,大功率的LED只有采用恒流源驱动,才能保证大功率LED使用的安全性,同时达到理想的发光强度。图2是LED的光通量(l m和温度(的关系曲线,由图2可知光通量与温度成反比,温度的变化对LED的波长也有一定的影响,因此,良好的散热是LED保持恒定亮度的保证。所以设计电源时,要将电源自身影响灯具热耗的因素考虑在内。 图2LE D 的光通量(l m 和温度(的关系曲线3现有几种LE D 驱动方案的分析和研究由于目前单颗大功率LE D 比较成熟的应用也只能做到3W 或者5W 。尽管市场上有10W 以上的大功率LED 光源,但也是通过1W 芯片串并组合集成的方法来实现的;所以驱动电源也就是

12、满足多颗13W 的LE D 串联或者并联,提供额定的恒流电流,来达到驱动LED 光源稳定可靠的工作目的。因此根据传统的电源衍变而来的恒流LE D 驱动电源也就有以下几种方案。3.1线性驱动的应用线性驱动应用是一种最为简单也最直接的驱动应用方式。在大功率LE D 光源的驱动应用中,虽然存在着效率低、亮度不稳定、温度高等问题,但是由于其电路简单、体积小巧,能满足一般要求,因此在一些要求不高的场合应用较多,比如草坪灯、高速路护栏灯等 。图3简单线型LE D 驱动电源应用如图3所示,传统的线性电源一般是由工频变压器,整流滤波电路、恒压电路组成;电路的工频变压器原、副线圈完全隔离,绕制时通过调整原副线圈

13、的匝数比,就可以在副圈端得到需要的交流电压,变压器具有隔离、降压的作用。再经过后续电路的整流和稳压,就能得到预期的直流电压。由于工频变压器在降压的同时,自身的损耗也会随负载的增大而明显增加,导致严重的温升现象;同时能量转换的效率也会变低;另外由于该变压器的物理结构,制约了电源体积的小型化。电路在驱动大功率LED 时,必须串联限流电阻R3,R4来限制和稳定大功率LED 的电流,防止因电流过大而导致大功率LED 损坏,但是增加限流电阻后,无疑又额外增加了电路的能耗,不能解决工频电压的波动,从而导致发光亮度不稳定。用这类电路的工频变压器的线圈匝数比来确定大功率白光LED 的串联数量。为了满足不同的发

14、光亮度需求,只能以并联的方式来增加大功率白光LE D 的数量,但是因为单个LE D 光源的属性(导通电压、温度不同,很难实现流经每个并联LED 分支有相同的电流,从而会出现各并联的分支上LE D 的发光亮度不一致的现象。这类电路的电能转换效率低,不能实现节能的目的;工频电压的波动和电路的温升导致的大功率LE D 的发光亮度不稳定,所以不适于路灯等照明领域。所以一般只应用于较小功率、短时间照明的场合,如LED 手电筒、家用灯具以及应急照明灯等。3.2开关型驱动应用如图4所示,这类电源的共同特点是具有高频变压器,直流电压是从变压器次级绕组的高频脉冲电压整流滤波而来。变压器原副线圈是隔离的,而输入电

15、压是直接从交流市电整流得到的高压直流。电路具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等优点;但是控制电路比较复杂,对元器件要求高,亮度不太稳定 。图4一种开关型LE D 驱动电源应用该类电路使用了大功率开关晶体管、快速恢复二极管以及高频变压器,开关转换速度很快,这使得大功率开关晶体管的功耗很小,电源的效率可以大幅度地提高;同时省去了较大的散热片,所以电源的体积小,重量轻;特别是该类电路的输出电压是由激励信号的占空比来调节的,工频输入信号电压的变化可以通过脉冲调制来进行补偿,在出现电网电压变化较大时,仍能保证有较稳定的输出电压。该类电路在驱动大功率LE D 的工作原理上和工频变压器线性稳压源

16、一样,采用的是恒压限流的方法,没有符合LED 的非线性V 2I 曲线特性,所以在性能方面,仍存在串并联发光亮度不稳定和发光亮度不一致的问题。该类电路较之线性稳压源,在效率、体积、稳压范围方面有显著的改善,成本相对较低,所以应用场合比较多,但仍不适合于路灯照明领域。降压式开关驱动是针对电源电压高于LE D 的端电压或者是多个LED 采用并联驱动情况下的应用。电路的主要原理是利用按照要求通断的电子开关所得到的斩波电流,来得到满足LE D 工作时要求的电流If 值,通过电流的负反馈作用(电流取样使得流经LED 的电流If 稳定在一定的范围内,同时可以兼有一定的调光功能。电感L 的作用是起到S 开通时

17、储能和S 关断后的续流作用,以减少流过LED 电流If 的波动。升压式开关驱动是针对电源电压低于LE D 的端电压或者是多个LED 采用串联驱动情况下的应用。一般应用在手电筒、矿灯等小型灯具上。3.3恒电流源模式如图5所示,这类电源与开关稳压源具有共同特点:都具有高频变压器,直流电压是从变压器次级绕组的高频脉冲电压整流滤波而来。变压器原副线圈是隔离的,而输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流 。图5一种采用专用恒流驱动I C 的LE D 电源驱动应用但该类电路关注的是恒电流输出,而不是高频变压器开关稳压源所关注的恒电压输出。电路具有功耗小、效率高、体积小、重量轻等特点,恒电流输出,LED

18、亮度稳定;但控制电路比较复杂,对元器件要求高,LE D 并联时亮度不一致。该类电路在驱动大功率LE D 的原理上,采用了恒电流控制的方法,具有自动限流作用,比之采用电阻的恒压限流驱动的方法,更易于实现限流和过流保护;同时没有额外的限流电阻,减小了电路损耗,提高了能量转换效率。该类电路驱动方法符合大功率LED 的非线性V 2I 曲线特性,避免了电压轻微波动而造成的电流变动,从根本上解决了大功率LED 串联亮度不稳定的问题,保证了大功率LED 的发光亮度的恒定。在大功率白光LE D 的串联数量方面,流经的大功率LED 的电流不再受大功率白光LED 串联数量的限制;为了满足不同的发光亮度需求,通过灵

19、活地驱动多个大功率白光LE D 就可以实现。对于大功率白光LE D 的并联使用,该类电路仍无法保证并联分支LE D 的发光亮度一致性。但可以使用多个恒电流电源,分别驱动不同的并联分支LED,同时保证并联各分支LE D 属性一致性,从而可以解决发光亮度一致性的问题。相对比较下,恒电流输出模式比恒电压模式更适合在照明领域中使用,该类电路无论在能量转换效率、发光亮度稳定性方面都更胜一筹。目前应用比较多的恒流专用芯片有HV991O ,QX9910等。3.4调光应用方式频率调制是保持加在LE D 上的矩形脉冲电流(幅值不变的宽度不变,通过改变单位时间加在LE D位角调制是采用一串含有二进制序列脉冲,并且

20、(下转第53页置,通过频率的变换可简易地获得起动日光灯所必需的高电压。 图11电子镇流器输出特性曲线之一例图11为由式(6和式(7求出电子镇流器输出特性的例子。实例中高频电压源300V ,负荷为高频点灯专用型日光灯(相当于FHF32。采用了二灯串联点灯的电子镇流器。图11绘出的三条输出特性曲线,分别表示预热、起动、点灯各种模式。图中还加了一条日光灯的电压电流特性曲线。在预热工况下,频率增大而输出电压下降,未起动日光灯仅对灯丝进行预热。接着,频率降低,产生高的输出电压(开路电压起动日光灯。然后达到所要求的灯电流时切换至点灯的频率。还可以将电路设计成起动与点灯的频率相同。而且还能考虑到电子镇流器的点灯频率、日光灯的发光效率,电子元件的成本,以及与家用电器遥控载波频率的干扰等,设计成超过40kHz 的频率。上述实例仅为切换频率的单纯控制方式,还有检测输出电流和输出电压,通过适当的控制工作频率,稳定地控制负荷电流与负荷功率的电子镇流器。4小结笔者对日光灯用的磁回路式镇流器和电子镇流器进行了阐述。掌握输出功率特性,不仅可以对镇流器所具有的功能加深