大功率LED路灯驱动电源的设计

1、大功率LED路灯驱动电源的设计作者：陈娟摘 要:该文根据大功率LED的工作特性,对市场上常见的大功率LED路灯驱动电源进行了分析,并提出了大功率白色LED在路灯照明应用中,其驱动电源需要满足的多个设计要素。关键词:大功率LED;恒电压控制;恒电流控制;路灯照明1、引言当前我国正在创建资源节约型、环境友好型社会,“绿色照明”的概念也在逐步深入人心。随着科技的不断进步,半导体材料应用技术的高速发展,小功率LED光源已广泛应用于景观照明,大功率的LED路灯也越来越多地引起各方面的关注。大功率LED路灯是一种通过直流低压点亮大功率LED组来实现照明需求的一种新型照明方式,具有亮度高、显色性好等特点。另

2、外,由于LED路灯的输入为低压直流,能与太阳能结合起来,使得太阳能LED路灯成为了未来道路照明方式的一种可能。然而大功率LED所需的驱动电源为直流的低电压,所以传统上用以驱动白炽灯、日光灯、节能灯、钠灯等光源的电源并不适合直接驱动大功率LED。而普通的降压、稳压电源必须重新改良才能适用于驱动大功率LED。本文根据大功率LED的工作特性,对市场上常见的驱动电源进行分析,提出了在路灯照明领域的应用中,为了能更好地发挥大功率LED的优点,驱动电源必须满足恒流输出、散热、效率、功率因数、过压过流过温保护等多个设计要素。2、大功率LED的工作特性图1为正向导通压降(V)和正向电流(I)的非线性关系曲线图

3、。由曲线可知,当正向电压超过某个阈值,即通常所说的导通电压之后,可近似认为,I随着V的上升而急剧上升;由图1可知,大功率LED是低电压、大电流的发光器件,当前大功率LED的最高I可达1 A,而V一般为24 V。由于大功率LED的光特性通常都描述为电流(I)的函数,而不是电压(V)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)变化范围会出现比较大的波动(最大可达1 V以上)。而由图1中的V-I曲线可知,V的微小变化会引起较大的I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

4、一致性,并且影响LED的可靠性和寿命。因此,大功率的LED通常采用恒流源驱动,以保证大功率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。3、恒电压源模式3.1 工频变压器线性稳压源3.1.1如图3所示,这类电源的共同特点是由工频变压器、整流滤波电路、恒压电路组成。该类型电路工频变压器原、副线圈完全隔离,通过调整原副线圈的变比,就可以在副边得到需要的交流电压,该工频变压器起到了隔离、降压的作用。通过后继的整流和稳压电路,就可以得到预期的直流电压

5、。3.1.2电路简单,成本很低。3.1.3损耗大,效率低,体积大,温升高,亮度不稳定。该类电路的工频变压器起到降压的同时,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,限制了该电源体积的小型化。该类电路在驱动大功率白光LED时,必须串联RES来限制和稳定流经大功率白光LED的电流,否则一旦工作电流过大,超过了大功率白光LED的最大工作电流,则会导致大功率白光LED的永久性损坏。然而增加限流电阻的方法,不但增加了能量的过多损耗,而且不能解决工频电压的波动而导致的发光亮度不稳定等问题。该类电路的工频变压器的线圈变比决定了大功率白光

6、LED的串联数量,一旦选定了工频率变压器,就难以增加大功率白光LED的串联数量。为了满足不同的发光亮度需求,只能以并联的方式来增加大功率白光LED的数量,但是因为大功率白光LED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LED的发光亮度不一致的现象。该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大功率白光LED的发光亮度不稳定,使得该电路不适用于路灯照明领域。3.2 高频变压器开关稳压源3.2.1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

7、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。3.2.2功耗小,效率高,体积小,重量轻,稳压范围宽。3.2.3控制电路比较复杂,对元器件要求高,亮度不稳定。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。由于没有采用笨重的工频变压器,大功率开关晶体管的功耗又很小,省去了较大的散热片,所以电源体积小,重量轻。关键在于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白光LE

8、D的原理上和工频变压器线性稳压源一样,采用的是恒压限流的方法,没有符合大功率白光LED的非线性V-I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。该类电路较之工频变压器线性稳压源,在效率、体积、稳压范围方面有显著的改善,所以在其他一些照明场合使用比较多,但该类电路仍不适合于路灯照明领域。4、恒电流源模式4.1电路构成与工作原理如图5所示,这类电源与高频变压器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。但该类电路关注的是恒电流输出,而不再是高频变

9、压器开关稳压源所关注的恒电压输出。4.2 优点功耗小,效率高,体积小,重量轻,恒电流输出,LED亮度稳定。4.3 缺点控制电路比较复杂,对元器件要求高,LED并联亮度不一致。该类电路在驱动大功率白光LED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白光LED的非线性V-I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的发光亮度恒定。在大功率白光LED的串联数量方面,流经的大功率

10、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,通过灵活的驱动多个大功率白光LED就可以实现。对于大功率白光LED的并联使用,该类电路仍无法保证并联分支LED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,同时保证并联分支LED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。5、可靠性设计要在照明领域中大量使用大功率白光LED,只有保证大功率白光LED驱动电源安全可靠地工作,才能保证大功率白光LED的长寿命和发光亮度稳定。

11、5.1过压过流保护在实际使用中,会出现负载短路或者空载的情况,会造成整个驱动电源的破坏,所以在驱动电源设计的时候,需要增加过压与过流保护。5.2隔离保护LED是低电压的产品,当驱动电源的开关损坏时,也不能有危及负载的高电压出现。所以要求电路的负载电路做到隔离保护。5.3浪涌保护在实际应用中,电网很不稳定,尤其是雷雨季节,会有浪涌电压存在,所以在驱动电源设计时,要考虑到整个产品的防雷,尽量避免在异常时造成永久性的破坏。5.4散热设计在大功率LED应用中,LED能承受的电流与温度有一定的关系,所以在驱动电源设计时,需要考虑大功率白光LED的散热问题和驱动电源本身的散热问题。5.5谐波小开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰,这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽,就会严重地影响整机的正常工作。此外,由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的