LED闪光灯电源设计（共8篇）
LED闪光灯电源设计 篇1
随着LED技术的不断完善,LED光源逐渐深入到人们生活的方方面面。LED的发光强度及通过电流都在很大程度上受到LED驱动电源的影响,LED驱动电源可以通过提供恒定电压,提升LED的使用寿命,改善LED灯的转换效率。LED驱动电源设计效果及设计质量已经成为生产商们关注的焦点。
1 LED驱动电源结构
LED驱动电源可以对电压进行调整, 确保LED灯内为直流低电压。LED驱动电源能够满足当前的电气需求,可以确保LED灯达到最理想的发光效果,降低可能出现的电网污染及电网影响,提升光源的质量。
1.1 LED驱动电源的结构选取
LED驱动电源主要包括交流供电方式与直流供电方式两种。直流供电LED驱动电源主要是电池、电瓶等,该电源在设计的过程中主要是依照直流电源特征选取的拓扑及控制结构为恒流电源。交流供电LED驱动电源主要是将交流电源转换成LED需要的直流电源,具有非常高的稳定性、安全性,可以明显提升电源的使用效率及使用质量。
1.2 PFC电路拓扑及控制方式
PFC指功率因数校正。该电路拓扑结构在使用的过程中要对储能元件进行合理应用, 通过对其自身的大电容及电感进行合理设置,加强对谐波的抑制效果。该种方法在使用的过程中要对有源开关及AC/DC整流电路正弦波状况进行控制,减少谐波成分。PFC电路拓扑在使用的过程中主要是输出稳定的直流电压,提升了变换器之后的变换效率。PFC装置在使用的过程中具有非常小的体积,控制精度较高。但是该种方法在使用的过程中无法适用于大功率场合。当前PFC电路拓扑主要包括以下几种变换器结构。
2开关电源原理
2.1 DC-DC转换电路拓扑结构及原理
当前DC-DC转换电路拓扑结构主要包括升压、降压及升降压三种变换器形式,可以依照电路要求及实际应用完成调节控制。
降压变换器又被成为三端开关型降压稳压器,主要通过串联方式进行开关电路控制,由晶体管与直流电源串联形成的稳定电源。升压型变换器又被成为三端开关型升压稳压器,主要是通过并联方式进行开关电路控制,由晶体管及电源之间并联形成的稳定电源。该变压器升降压型变换器是由升压型变压器与降压型变压器联合简化形成,可以有效改善当前电压电源稳定状况。该变换器在使用的过程中需要对二极管连接方式进行正反向转变,因此又被称为反号变换器。
2.2变换器工作原理
降压变换器在使用的过程中主要依照开关对控制模块、振荡器信号进行控制,完成开关导通及闭合控制。当基准电容电压达到规定值时,开关触发振荡器电路,完成导通操作。当电流达到峰值是完成触发动作,保持晶体开关管处于断开状态,完成降压变换操作。升压变换器在使用的过程中与降压变换器主体一致,也是依照上述原理完成控制操作。但是在该控制的过程中当电流达到峰值是要启动比较器电路,保证晶体管开关处于闭合状态。
升降压变换器控制模块可以明显加强导通控制。上述控制过程中,触发振荡器可以明显将电路启动进行合理控制,完成开关管导通信号传输。当达到峰值定值时,升降压变换器可以触发比较器电路, 完成晶体管的闭合控制,达到对脉宽调制控制功能。
3电路结构设计
3.1主电路结构
3.1.1开关电源
开关电源设计要对开关二极管、有源开关、电感、电容器进行合理使用。主电路电源设计时要合理应用半桥式转换器、单端正激式变换器等装置,依照设计要求选取主要原器件,通过脉冲宽度频率调制、 脉冲频率调制或脉冲宽度调制完成脉冲频率的调制及控制。
3.1.2反激电路
反激电路在设计的过程中要对电网中的输入电流进行控制,要对直流电压及电路保护形式进行全面分析。当前反激式电路主要包括幵关频率振荡电路、脉宽调制电路、驱动电路、比较放大电路、过压保护电路几部分。主要通过降低输出电压、 导通时间、高输出端口电压等控制因素或操作,完成储能补偿。
3.2电感、电容的计算值
在对电感、电容进行计算处理的过程中要对核心电路进行明确,依照电感线圈及电容状况,对电流比率及平滑直流回路电流状况进行明确。计算数据中显示但电感值越大,控制效果越好。
当电流在持续状态下为电感临界值时,设电网电压经过整流电路后电压在270~340V范围内,当输出电压最低为270V时,电感为7.59m H,电容为6.2u F。
4控制电路设计
电流反馈、电压反馈、PMN反馈及输出电压组成是当前控制电路的主要组成部分。上述内容在应用的过程中主要是通过对脉宽调节控制实现电压调节。其主要控制结构见图2
控制电路在设计的过程中要对以下几方面功能进行完善。第一,对控制电路进行设计,提升电压可控制输出效果。电路工作过程中要调节两个晶体管驱动脉冲宽度一致,保证正向与反向磁通量相同,防止产生偏离现象。要对限制脉冲宽度即软起动周期变化进行控制,降低直通。第二,要对输入信号及输出信号进行隔离,确保电压稳定性,完成各项电路的主体控制效果。
5总结
LED驱动电源系统在设计的过程中要对各项控制电路及电路元件进行明确, 对各项照明过程中的能量转换效益及能量转换操作进行设置,确保从根本上提升LED的主体控制效果。在上述驱动电源设计的过程中要对总体布局、布线进行确定,完成分析及测定操作,提升LED应用质量。
LED闪光灯电源设计 篇2
摘 要：根据LED驱动电源设计要求，对设计方案进行合理论证，前级功率因素校正采用升压型斩波电路，控制芯片采用仙童公司的FAN7527，后级采用隔离式单端反激电路实现降压型DC/DC变换，控制芯片为TI公司的UC3843；此外为满足LED驱动电源恒流输出特性，设计中采用AP4310设计一个恒流限压控制器。基于以上结构，完成一款实验样机，通过测试和分析，实验波形与理论波形基本一致，完成本次设计要求的性能指标。
关键词：LED DC/DC变换；功率因素；UC3843；恒流
中图分类号：TM46 文献标识码：A
Abstract：According to the design requirements of LED Current drirer， this design plan for a reasonable argument. The first stage power of factor correction adopted boost chopper circuit and its control chip is Fairchild's FAN7527. Isolated singleended flyback circuit buck type DC/DC converter was used as the second stage and its controller chips is TI's UC3843. In addition， to meet the output characteristics of constant current ，AP4310 was designed as constant current controller. Based on the above structure， experimental prototype of LED driver was realized. Through testing and analysis， experimental waveforms were consistent with the theoretical waveform and the proposed LED driver meets the design requirements.
Key words：LED DC / DC conversion；power factor correction；UC3843；constant current
1 引 言
近年来，能源危机使世界各国开始关注绿色节能照明问题，新型光源也应运而生。发光二极管（Lighting Emitting Diode，LED）具有高效、节能、无污染、模拟自然光等优点，在最近几年得到快速发展，逐渐成为照明市场的主流，世界各国政府和公司已投入大量资金用于白光LED的开发和推广。LED主要可应用于信号指示、装饰照明、景观照明，家具照明、路灯等，不同应用场合的照明必须设计对应的驱动电源才能满足需求[1-3]。
由于LED自身的伏安特性及温度特性，对驱动电源的要求非常高，必须研发可靠、稳定的驱动器与之匹配[4-5]。通常，对于LED驱动器的基本要求有：高功率因素（Power Factor Corrector，PFC），高效率，恒流控制等，本文选用最新应用控制芯片，通过合理的外围电路设计，完成了一款LED驱动电源。
2 方案论证
LED驱动电源设计中，通常采用桥式整流和电解电容滤波电路来实现AC/DC变换，为下级变换器提供直流电。由于整流二极管具有单向导电性，只有在正向偏置时才会导通，也就是交流输入电压的半个周期中，只有交流电压峰值高于电解电容电压整流二极管才会导通。因此，在交流电压的半个周期内，每对二极管的导通角往往只有60o-70o。虽然交流输入电压仍然能保持正弦，但输入电流却出现严重畸变，呈幅度很高的尖峰状脉冲，从而导致系统功率因素很低，一般仅有0.5-0.6，影响电源的利用率，对电能造成巨大浪费。此外，输入端产生的谐波电流也会对电网造成污染，影响电能质量和供电品质，同时也会对系统中其它电子设备产生干扰[6]。
美国能源部于2008年10月发布的固态照明光源“能源之星”规范要求：任何功率等驱动电源都需要强制进行功率因数校正；住宅应用LED灯具的功率因素>0.7，商业用LED灯具的功率因素>0.9。因此在本设计中首先应考虑功率因素校正环节。典型功率因素校正方式有无源PFC和有源PFC两种类型。无源PFC电路只使用二极管、电阻、电容和电感等无源元件，拓扑简单、成本低，但功率因素校正效果较差。实际LED驱动电源中较多采用有源PFC，有源功率因素校正技术是利用集成电路使电流波形主动跟随电压波形从而达到功率因素校正的目的，按电路拓扑结构可以分成降压式、升/降压式、反激式、升压式四种，本文选用比较成熟的是Boost升压式电路结构。
在直流供电方面，LED驱动电源按照驱动方式主要可以分为四类：电阻限流控制、线性控制、电荷泵变换器以及开关变换器等。开关变换器效率高、控制精准，可以实现宽范围的电压/电流控制，非常适合大功率多串式LED 的控制。其中典型降压型DC/DC变换有：非隔离降压型（Buck）、反激式拓扑、半桥拓扑。非隔离降压型一般应用在1-10W场合；反激式一般用在25W-100W左右场合；100W以上一般选用半桥拓扑，本文根据功率等级选择反激式隔离降压变换器[6]。
此外，为了保证LED光源稳定性及可调性，需要了解其基本电气特性，如图1所示为LED光通量与其正向电流、正向电压的关系曲线[7]。从图中可看到，LED的光通量仅取决于驱动电流的大小，LED 两端的电压近似为恒值。由此可知，LED 需要采用恒流控制，通过调节电流大小来调节 LED 的输出光通量。
3.1 PFC电路设计
PFC电路设计采用了升压型斩波电路，控制环节主要由仙童公司功率因素校正控制芯片FAN7527完成，电路设计如图3所示。输出电压经R4、R5电阻分压进入1号脚，芯片内部调节器输出与3脚输入的半波电压瞬时值相乘，乘法器输出作为电感参考电流指令，与4脚输入电流瞬时值比较，当输入电流值大于乘法器输出时，输出电平翻转，RS触发器置“0”，该电平由7脚输出，关断开关管。因此，乘法器输出电流即为通过开关管的电流的门限值，该门限值随输入电压的变化而近似呈正弦规律变化。当开光管关断后，变压器L2电流慢慢减小，当电流接近零时，又导致引脚5过零比较器的输出翻转，将RS触发器置“1”，开关管导通，电感电流增大。重复上面的过程，电流波形接近正弦波，从而达到功率因素校正的目的。
3.2 DC/DC直流变换电路设计
本级设计选用UC3843作为控制芯片，UC3843是高性能固定频率电流模式控制器，具有可微调的振荡器、精确的占空比控制、高增益误差放大器、大电流图腾式输出等优点，专为反激式DC/DC变换器应用而设置，只需很少外部元件就能获得成本效益高的解决方案，其外围电路设计如图4所示。变换器开关频率由R9、C12决定。反馈信号通过电阻R10、R11进入2脚，通过芯片内容高增益误差放大器构成控制环节，调节6脚输出占空比大小。开关管电流通过R13进行采样进入引脚3，当流过开关管电流超过给定值时，关断开关管。
3.3 恒流限压控制电路设计
如前所述，LED驱动电源必须采用恒流方式。恒流控制的方式很多，此处主要利用AP4310作为主控芯片，来实现恒流限压输出，AP4310内部结构主要是由2个运放组成，如图5所示。AP4310的3号引脚自带一个2.5V的基准电压（第一个运放的正向输入端），通过R20、R21输出电压采样反向输入端（2号引脚），该运放构成电压控制环，当方向输入电压过2.5V，输出端为低，这样反馈信号从光耦通过二极管D8到运放1的输出端，从而实现限压功能。同理，运放2用于调节电流，其同相端的参考电压值由R22、R23决定，反向输入端为从R16采样电流反馈的电压值，当过流时，其反相端电压超过同相，运放输出低电位，从而使光耦通过二极管D9导通，反馈到开关模块进行调节电流。
4 实验测试
根据以上设计电路，在实验室制作了一款LED驱动电源，实物图片如图6所示。
功率因素校正部分实验结果如图7和图8所示。图7为PFC电路电感电流和PWM驱动波形，图8 PFC电路电感电流和输出交流电压波形，通过图中可看出输入电流呈正弦，与输入电压相位接近，系统功率因素较整流电路有较大提高。
后级反激式DC/DC电路波形如图9和图10所示。图9中频率为71KHZ，占空比为36.49%。图8为样机输出电压和电流波形。
从以上波形可看出，设计的LED 驱动电源能较好的完成功率因素校正和恒流输出驱动LED发光的功能。
5 总 结
本次设计根据LED的驱动电源设计要求和，对从功率因素和电路能量变换角度确定了电路拓扑结构；在此基础上，设计了一款高功率因素的LED恒流驱动电源，通过实验验证了LED驱动电路的有效性。
参考文献
[1] 杨清德，康娅. LED及其工程应用[M].北京：人民邮电出版社，2010.
[2] 毛兴武，毛涵月，王佳宁. LED照明驱动电源与灯具设计[M].北京：人民邮电出版社，2011.
[3] 沈霞、王洪诚、蒋林.基于反激变化器的高功率因素LED驱动电源的设计[J].电力自动化设备，2011，3（1）：40-46.
[4] 房滕.90WLED驱动器的设计[D].杭州：杭州电子科技大学，2010.
[5] Beibei Wang， Xinbo Ruan， Kai Yao， and Ming Xu， A Method of Reducing the PeaktoAverage Ratio of LED Current for Electrolytic CapacitorLess ACDC Drivers[J].VOL. 25， NO. 3， MARCH 2010.
[6] 裴云庆，王兆安.开关稳压电源的设计和应用[M].北京：机械工业出版社，2010.
LED闪光灯电源设计 篇3
随着国家颁布的节能减排、倡导可持续发展的方针政策不断地得以落实, 发展低碳经济, 营造低碳生活不仅已逐步深入人心, 而且已成为人们自觉的行动。有道是, 低碳生活, 技术先行, 设计开发出各式各样的节能低耗、安全可靠的新产品, 不仅能满足人民群众使用要求和参与节能环保的愿望, 而且也成为各行各业发展低碳经济的新的增长点。为此, 介绍一款高效率、高功率因数的LED日光灯的设计方法, 以期望能够举一反三, 设计开发出更多更好的LED日光灯产品, 为普及推广节能节电产品打好基础。
(二) 主要技术指标
输入电压范围:市电85～260VAC
输出功率:20W
功率因数:COSψ≥0.85
输出电压:50～60V
(三) 电气原理简介
20W的LED日光灯电路原理图, 如图1所示。
市电从电源插头接入之后, 经过了热敏电阻RT1, 使得开关合闸时, 启动电流得以缓慢进入常规值。电网隔离器可以用来隔离、滤除AC回路上的杂波噪声。经过桥式整流和无源PFC, 改善了电路的功率因数, 集成电路u1通过电源电路获得启动能量和输出脉冲, 控制主功率Q1工作在高频开关状态, 镇流电感续流二极管和电容器形成60 VDC供LED工作电源。
(四) 基本电路设计方法
输入回路:
抗冲击电阻RT可选用冷态电阻20Ω, 热态电阻2Ω, 电流0.3A的热敏电阻, 型号NTC-22D2-07。
EMI电路参数:共轭线圈电感量在2～5mH之内, 可选择高导磁率材料, 电容器耐压275 V AC, 容量104。
整流桥选择700～1000V/1A的普通整流二极管, 如:1N4007 (1000V/1A) 。
PFC无源功率因数补偿电路, C2和D5组成半桥的一臂, C3和D7组成半桥的另一臂, D6和R1组成充电连接通路, 利用填谷原理进行补偿, R1可平滑输入电流尖峰, 使功率因数从0.6提高到0.89, 既简单又可靠, 有较好的性价比, D5、D6、D7选1N4007 (1A/1000V) 就可以了, R1起平滑输入尖峰电压作用, 一般可在5W (10～20) Ω选择。以使得功率因数最高为宜。
为本机主控制器件U1 (PT4107) 提供一个稳定可靠的工作电源, 将能进一步提高整机的可靠性。此电源设计成有源滤波和串联稳压器。
用R2、R3、C4、W1构成慢启动电路。
W1选择1/4W、20V的稳压管, 市电在220±20%, 经过整流桥整流滤波后, 会在 (200～260) VDC, 以最高值300V计算, 设计流过W1的电流为可以取R2=R3= (150～180) K, R4功率为3W, 在保证U1 (PT4107) 能启动工作的前提下, 取值大些为宜。T1选择E13003, 该型号也是电子镇流器专用管, Vbeeo=500V, 2cm=100mA。
镇流电感功率电路设计, 由L3、Q1、R6～9组成, 显然, L3的Q值要高, 饱和电流大, 电阻小, 指标为电感量3.9mH, 在50kHz频率范围内Q值大于90, 居里温度大于400°C, 可使用高导磁率微晶材料的电感, 它可以保证恒流源长期安全工作, 规格EE13或EPC13。续流二极管D8, 是在Q1关闭时, 为L3的自感应电流提供续流通路, 对C7充电, 使LED获得稳定电压, D8可选择MUR160 (1A/600V) , 恒流采样电阻R6～R9的阻值, 由U1 (PT4107) 的第2脚的阈值和带LED负载电流决定, 例如, VGS=0.3V, 恒流值一般会选3～4只小功率电阻并联, 所以, 可选4只1/4W—3.9Ω电阻并联。功率管可选择3A/500～700V的MOSFET, RDS要小。芯片U1 (PT4107) 工作频率由R5决定, 即:。
(五) 结束语
在目前占主流的非隔离型LED日光灯电路方案中, 因其效率高、成本低, 受到广泛的重视, 在上述设计中, 再引入高功率因数和倍容式稳压电源, 使之可靠性和节电性能进一步提升, 带动驱动点亮22只/串×15串=330只60毫瓦的白光LED, 构成20瓦的LED日光灯, 效果很好, 而材料成品仅30元左右, 成品机芯既可以做成日光灯照明管, 也可以配入各种灯饰, 其经济效益和社会效益是显而易见的。
参考文献
[1]何希才.新型开关电源及其应用[M].人民邮电出版社, 1998.
[2]Brian Cooctes.高功率LED照明设计师应清楚的5大概念[J].电子系统设计, 2009.6.
24瓦LED家居灯电源设计 篇4
LED照明即是发光二极管照明,它是一种节能、环保、快速、多色彩、长寿命的新型光源,它将成为未来照明的发展趋势,但由于其对电源的稳定性要求很高,所以就需要各种驱动电路配合才能达到高的发光效率。本文所研究的就是一种LED恒流源驱动电源,通过对SEPIC和FLYBACK电路的研究与分析,对比两者优缺点,选择出更适合驱动LED的电路。
1 LE D驱动电源设计过程
LED的寿命和电源有很大的关系,电源供电不稳定,将会导致LED发光效率降低,寿命缩短,颜色发生变化,甚至烧毁,所以驱动电路将会成为LED照明发展的瓶颈,同时也是从事LED照明企业的技术难题,如果不能很好的掌握这项技术,就会被淘汰、丧失市场份额,从而导致亏损的恶性循环。所以说对驱动电路的研究是至关重要的。设计出好的电源驱动有助于提高LED的发光效率,降低照明产品的制造成本,打嗝模式控制大大降低了待机功耗并且帮助了系统设计,能够满足国际节能要求。PR6863是一款高度集成的电流模式PWM控制器,高性能优化,低备用电源。它适合于成本效益的离线反激式转换器应用。在正常运行PWM开关频率为内部固定,并修剪成一个窄幅区间。在空载或轻载的情况下,IC工作在打嗝模式,从而实现了最大限度地降低开关损耗、待机功耗和更高的转换效率。低启动电流和低工作电流有助于对启动和低可靠的电力设计。PR6863提供完整的保护范围内的自动恢复,包括逐周期电流限制(OCP)、过负载保护(OLP)、VDD和欠压锁定(UVLO)。它也提供了保护与锁存关断,包括温度保护(OTP)和过电压(固定或可调)保护(OVP)。卓越的EMI才能达到最佳性能与频率扩展技术,PR6863是采用SOT2—6封装。
2 LE D驱动芯片工作原理
(1)启动电流和启动控制。PR6863的启动电流设计是非常低的,使VDD高于UVLO被充电阈值水平和设备的快速启动。
(2)工作电流。PR6863的工作电流很低,只有1.5毫安。
(3)软启动。在启动过程中,它是在电源上激活序列。当VDD达到UVLO_OFF,在CS峰电压逐渐从0.15V增加到最高水平。扩频改善EMI的频率扩展(开关频率调制)是在PR6863实施该振荡频率进行调制,以使音能量传播出去。扩频减小导带电磁干扰,因而简化了系统的设计。
(4)打嗝模式操作。在轻载或空载状态下,大部分在开关模式电源的功率耗散是开关损耗的MOS-FET,核心变压器和损耗的缓冲器的损失电路。功率损耗的大小与开关频率成比例。较低的开关频率导致的功率损失的降低从而节约了能源。其开关频率在内部调整,不空载或轻载状态。开关频率减少在轻/无负载条件下提高转换效率。在轻载或空载下,FB输入低于打嗝模式阈值水平和设备进入打嗝模式控制。该输出驱动输出端只有当VDD电压低于预先设定的水平和FB输入活跃状态输出,否则,输出驱动器保持在关闭状态,以尽量减少开关损耗和降低待机功耗消耗的最大延伸。开关频率控制也消除了在任何负载条件下的音频噪声。
(5)振荡器操作。开关频率在内部固定为65KHz,无需外部频率设定组件所需的PCB设计简化。电流检测和前沿消隐逐周期电流限制是提供PR6863电流模式PWM控制。开关的电流是通过检测电阻,CS引脚检测。一个内部的前沿消隐电路的检测到的电压尖峰最初的内部电源MOSFET的导通状态,由于缓冲二极管的反向恢复和浪涌输出功率MOSFET的电流使在检测输入外部RC滤波电路不再需要。限流比较器禁用,并且不能关闭内部电源在消隐期间的MOSFET。该PWM占空比是由电流检测输入确定电压和FB输入电压。内部同步斜坡补偿内置斜坡补偿电路增加电压斜坡上的电流检测输入电压为PWM一代。这大大提高了闭环稳定性和防止次谐波振荡,从而降低了输出纹波电压。
(6)驱动器。功率MOSFET是由一个专门的输出驱动和驱动电源开关控制。在OUT太弱,驱动强度会导致更高的导通和MOSFET的开关损耗,而过于强大的输出驱动器导致电磁干扰的妥协。一个很好的权衡是通过内置的实现图腾柱输出设计,对输出强度和死区时间控制。在低怠速损耗和良好的EMI系统的设计是比较容易实现这专用控制方案。
(7)保护控制。良好的供电系统的可靠性是实现与自动恢复保护功能的前提,包括逐周期电流限制(OCP)、过负载保护(OLP),以及欠压保护等VDD(UVLO)和锁存关断功能,包括过温保护(OTP),固定或可调VDD过电压保护(OVP)。OCP是线电压补偿来实现在通用输入恒定输出功率限制电压范围。
3 提高LE D驱动电源效率的方法
图一为LED驱动电源典型电路图。
4 E M C设计
图二为EMC电路图。
4.1 差模滤波器及共模滤波器在EMC测试的各个频段的作用
根据GB17743-1999《电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限制和测量方法》的规定,在不同频率下允许的电磁干扰的准峰值及平均值如表一所示。
EMC各频段限值如下:
(1)低频段:9-15KHz
该频段主要以差模干扰为主。加大差模电容或是串一个差模电感,均会使干扰幅度大大降低。说明在这个频段差模干扰影响是较大的。同时串接共模电感后,干扰幅度也会降低,说明共模干扰也是存在的。
(2)中频段:150KHz-2MHz
这个频段同时存在差模干扰和共模干扰,不过以共模干扰为主。所以要采用比较全面的滤波电路,对各个频段的干扰都有抑制作用。电路中的共模滤波Y电容要接地,这样才能达到效果。测试证明,采用两个2200μH的Y电容并接大地来抑制中频段的共模干扰,会得到满意的效果。
在设计滤波器时,除了对滤波器的效果有要求外,还要考虑成本问题,使电路结构最简单,占用空间最小,尽量将不必要的、价格昂贵而又作用不明显的元器件去掉。
4.2 变压器的设计
变压器电气原理图如图三所示。
变压器结构图如四所示。
4.3 输出二极管的选择
输出二极管有肖特基二极管(SBD)、低损耗二极管(LLD)和高速二极管(FRD)。输出为低压大电流时应采用肖特基二极管,其他则采用低损耗或调整二极管。
选择二极管时要注意选择反向恢复时间trr快的二极管。这是因为主开关元件闭合时,反向流入二极管的电流会影响初级线圈开关特性并致使损耗增大。同时,输出噪声也会受很大影响的。所以输出整流二极管选择一般有四点原则:
(1)选用正向压降VDF小的整流二极管;
(2)选用反向恢复时间trr整流二极管;
(3)选用正向恢复电压VFRm整流二极管;
(4)选用反向漏电流IR小整流二极管。
5 结束语
本文设计了一款LED恒流驱动电源(如图五所示),采用单端初级电感变换器,电流控制模式的PWM,具有体积小,成本低的特点,适合于做小功率LED驱动电源,诸如台灯,地灯,小射灯,低功率家居灯等。
参考文献
[1]Philips Lumileds Lighting Company.Benefits of Lumileds Solid State lighting Solutionvs.Conventional Lighting.
[2]长谷川彰,著.何希才,译.开关稳压电源的设计与应用[M].北京:科学出版社,2006.
[3]沙占友,庞志峰.开关电源外围元器件选择与检测[M].北京:中国电力出版社,2009.
[4]陈永真,孟丽囡.高效率开关电源设计与制作[M].北京:中国电力出版社,2008.
[5]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,1998.
[6]胡斌.图标细说电子元器件(超值版)[M].北京:电子工业出版社,2008.
[7]杨恒.LED照明驱动电路设计与实例精选[M].北京:中国电力出版社,2008.
LED闪光灯电源设计 篇5
关键词：ED驱动电路,PI Expert软件,单片开关电源,反激变压器,PI器件,反馈电路
LED照明是新型的节能环保型绿色电源, 近年来在各领域得到广泛的应用。LED驱动电路是专门为LED供电的电源设备, 其质量的好坏直接影响到LED灯的使用寿命。LED驱动电路的设计, 大多采用了单片集成开关电源的形式, 不仅器件更少, 结构更简单, 发热量更少, 工作更可靠, 与之配套的软件设计平台Pl Expert使得开关电源的设计也变得异常容易。
本文以一个具体的LED驱动电源设计实例, 简要阐述了如何应用TOPSwitch及PI Expert进行LED驱动电路的设计, 并通过试验进行了验证。
1 PI Expert软件及芯片介绍
PI Expert软件是一款完成单片开关电源优化设计的实用工具软件, 其特点是简单易用、灵活方便, 是一种高效的开关电源没计工具。它通过接受用户输入的开关电源规格参数, 自动生成由PI器件构成的单片开关电源设计方案。利用该程序, 根据输入电源的规格来选择最合适的PI系列产品及其外围元件, 计算所选PI器件在指定的最低电压下提供满载功率所需输入滤波电容的最小值, 得到经过优化的高频变压器完整的数据表格, 并根据所指定的输出功率选择最小尺寸的磁芯和骨架, 以降低成本和体积。
TOPSwitch系列单片开关电源是美国Power Integrations (PI) 公司开发的新型开关电源芯片, 其将离线式开关电源所必需的各种功能模块都集成到一块芯片上, 包括高压功率场效应管MOSFET、PWM控制器、高频振荡器、高压启动偏置电路、基准电压、误差放大器、用于环路补偿的并联偏置调整器以及各种保护电路等。
TOPSwitch主要引脚有三个, 分别为引脚DRAIN (D) 、引脚SOURCE (S) 和引脚CONTROL (C) , 附加引脚包括过欠压检测 (L) 、电流限制 (X) 以及频率选择 (F) 。
2 LED驱动电源的设计
2.1 简介
根据LED具体应用场所的不同, LED可能会采用不同的驱动电路源来供电, 如交流线路、太阳能板、12V汽车电池、直流电源或低压交流系统, 甚至是基于碱和镍的电池或锂离子电池等。
开关电源在LED照明的驱动电路得到了充分的应用, 其性能的优劣直接关系到整个系统功能的实现。开关稳压电源有多种类型, 其中单端反激式开关电源由于具有线路简单, 所需要的元器件少, 能够提供稳定隔离输出等优点而广泛应用于小功率电源领域。
本文就以应用最广的、性能最稳定的单端反激式开关电源为例, 结合PI Expert软件, 简要说明LED驱动电源设计的设计过程。
2.2 设计实例
本文设计一种单端反激式单路输出开关电源, 用作某种LED灯具驱动电源。其输入电压为交流85~265V, 输出电压为22V、2.1A, 可驱动36 (3*12) 只LED灯, 输出功率46W。
2.2.1 电路结构选择
LED驱动电源电路采用单端反激式开关电源结构, 一般工作于电流断续模式, 可通过反馈控制使输出电流恒定, 具有体积小、成本低等优点, 同时, 单端反激式电路实现了输入输出之间的电气隔离, 提高了LED照明灯具的安全可靠性。
此驱动电路的输入电压为交流85~265V, 电源效率大于85%, 空载的功耗仅为0.5W。输入回路采用EMC电路, 反馈电路采用TL-431组成的误差放大器和光耦组合的隔离电路, 有效地提高了控制灵敏度和输出电压的稳定性, 整个电路的方框图如图1所示。
2.2.2 反激变压器设计
变压器是开关电源的核心部件, 其设计的好坏直接影响开关电源的性能。由于在反激式开关电源中, 反激变压器除了实现原副边隔离和电压转换外, 还承担储能的作用, 所以在常规的变压器设计方法基础之上, 反激变压器的设计还要特别关注原边电感量这个重要参数, 其直接影响变压器储能的大小。
实际设计中, 先选定变压器的磁芯尺寸, 通过变压器损耗与磁通密度的关系曲线确定最小的损耗, 进而选择二次绕组的匝数。应用PI Expert软件只需经过几步简单的操作, 就能得到设计结果, 包括所推荐的变压器磁芯型号、原副边匝数、导线线径、原边电感量和T0P-Switch芯片型号等关键参数。还可以通过优化程序对二次绕组的匝数进行迭代计算, 直至得到电源效率为最高的解决方案。最终设计参数如图2。
2.2.3 PI器件的选择
PI器件的选择主要在效率估算、感应电压、开关频率、损耗分配系数等参数上确定, 在该实例中优先选择了TOPSwitch-GX系列的芯片, 主要考虑其具有高效率、高集成效能 (集成了MOS、PWM控制、保护、检测和其它功能) , 为设计驱动电源提供了有利的条件。图3为芯片TOP246Y的主要参数。
2.2.4 反馈电路的选择
采用的反馈方式为:Opto/TL43l型, 利用光耦和精密基准源TL43I进行反馈。图4为反馈电路的主要形式和元器件的参数选择。
通过本软件获得该电路控制环路的幅频特性和相频特性曲线 (如图5) , 图上半部分为幅频特性曲线, 实线为整个电源的幅频特性曲线, 短划线未功率级的幅频特性曲线, 点划线未控制级的幅频特性曲线。
若调整反馈电路的元件参数, 则特性曲线随之发生变化, 即可以通过元件参数的调整分析曲线的变化得到较为理想的控制效果。
4 结语
本文根据LED驱动电路的性能要求, 给出了具体的设计方案, 采用TOPSwitch系列芯片结合PI Expert软件进行开关电源设计, 该设计的电路所用器件少, 结构精简, 控制方式简单, 具有过欠压等保护功能, 大大提高了系统的可靠性和电磁兼容能力, 从而实现了电路高效、安全、高可靠性的特性, 为今后LED驱动方面的开发设计提供了广泛的应用平台。
参考文献
[1]赵同贺.开关电源与LED照明的优化设计应用[J].机械工业出版社, 2012 (01) .
LED闪光灯电源设计 篇6
1 目前LED日光灯存在的关键问题
高亮LED日光灯的核心技术在于驱动电源、二次配光和散热处理。国内外对高亮LED照明的驱动电路均建立在LED恒流工作的特性上, 多数国家采用恒压恒流型开关电源, 发光方面没有进行二次光学设计, 散热处理还存在很多弊端。为此, 提出了采用斩波群控制技术优化设计LED驱动, 对LED阵列点光源进行二次光学设计, 同时采用翼状叠片式散热器进行散热, 该方案有效解决了LED日光灯存在的几个关键问题。
1.1 驱动电源的恒流驱动问题
因为LED灯芯之间电流的差值不同, 使用不当就容易造成光衰, 使寿命大大减短。
1.2 LED灯具散热问题
不管是LED灯还是LED显示屏, 还是其他LED照明产品, 散热都是一个比较重要的问题, 解决散热问题也是现在LED企业必须要面对的问题, 好多公司在结构设计这部分就因为难于较好地解决散热问题而出现研发瓶颈。
1.3 光线柔和问题
由于LED属于点光源, 在发射光的方向性强, 在直接使用时, 易使人感觉刺眼, 造成视觉疲劳。
2 设计思路
针对LED日光灯存在的问题, 设计时主要考虑以下几个问题:
(1) 充分考虑把有限的光通量充分的利用到有效的照射范围内;
(2) 控制光线的柔和性, 对点光源发射的光线进行多次漫反射设计, 避免产生强烈的直射光和光斑;
(3) 充分认识普通家庭照明的标准及要求和常规照明灯具的配光原理, 采用花生米透镜和半圆球形面灯罩光反射器及点光源的合理配光, 进行优劣的互补, 充分发挥LED点光源光束角的可控性优点及冷光源长寿命的优势;
(4) 严格按照半导体LED光源结构和光学特性自身的特点, 设计高亮LED日光灯;
(5) 根据LED散热需求, 设计散热效果比较好的散热器, 将发光管工作时产生的热量有效的散发到空气中去, 保证发光管工作在安全的温度下, 延长LED日光灯使用寿命;
(6) 合理选用LED, 从目前大功率发光管的技术水平来看, 1W光效比较高, 用于照明节能优势明显, 选用1W作光源较为合理;
(7) 科学选用LED的色温。在LED日光灯的发展中, 在LED光源的色温使用选择上放在6 000 K左右较为合适, 在明视觉和舒适度上符合照明要求。而且在当今LED的光效发展及性价比上是可行的, 适合LED日光灯的大面积推广。
本文提出的翼状叠片式结构的散热设计利用LED阵列及双层透镜进行二次光学设计, 利用CGC (Chopper group control) 技术控制PWM脉冲驱动方式等关键技术的优越性, 研制出了高亮度LED, 在应用中该LED日光灯的优越性得到了验证, LED散热难、光源利用率低、光线不柔和等难题得到了很大改善。
3 设计原理和技术要点
本项目设计的LED日光灯主要由外壳、LED灯珠阵列、灯罩、花生米透镜、散热器4部分组成;主要设计驱动电路、二次配光和散热器3部分;关键研究以下三方面的内容:
(1) 通过对高亮LED发光特点的分析, 采用IC801/402B控制芯片和CGC斩波群控制技术, 在外界触发条件作用下, 能够可靠地产生与外界触发信号波形保持一致的振荡波, 以满足后级的PWM控制, 从而为LED发光提供更精确更稳定的驱动条件。该方式性能稳定可靠、控制过压过流能力强, 损耗小, 易于实现PWM控制电路中场效应管的自关断而进行保护。
(2) 在参考其他照明设备原理与设计的基础上, 采用把安装在单颗LED灯珠外面的花生米透镜按照W型排列, 以尽可能扩大光线的散射角, 散射光经过多角度、多途径投射到由许多烟雾式颗粒型透镜构成的半圆型灯罩内壁, 通过漫发射向空间发送柔和的光线, 从而达到采用双层透镜对直射光线进行扩散及漫反射的原理, 科学的进行了二次光学设计的目的。
(3) 由于高亮度LED属于半导体发光, 其对散热要求较高, 若不能满足其散热要求, 则寿命将大大缩减。本项目所研制的LED日光灯适用于家庭照明用, 其应用环境和空间不允许使用较大体积的散热器, 在分析高亮LED发光时对散热条件要求的基础上, 考虑了不同的散热材料及散热方式等问题, 提出了采用翼状叠片式散热设计, 该散热器主要由导热基板和散热翼片两部分组成。根据散热需求, 可以灵活调节翼片的形状、大小和个数, 而且基板和翼片在制作时可一次成型, 实现散热和壳体的一体化设计。该散热方式大大提高了LED发光时的散热能力。
4 性能指标和创新之处
4.1 性能指标
本项目设计的高亮LED日光灯的性能指标如表1所示。
另外, LED灯为冷光源, 并且无闪烁, 即开即启, 无启动损耗。
4.2 创新之处
(1) 采用斩波群控制技术CGC和PWM驱动方式进行驱动, 该驱动方式是基于LED的荧光粉余辉效应及人眼视觉惰性进行设计的, 与目前常用的恒压恒流驱动方式相比, 可提高发光效率30%左右, 从而更节能, 与白炽灯相比节能可达85%以上;
(2) 采用双层透镜对直射光线可进行扩散及漫反射的原理, 科学的进行了二次光学设计, 使光线更加柔和;
(3) 采用翼状叠片式散热器, 该散热器采用工业铝合金材料, 使散热性能更好, 可进一步提高LED的寿命;
(4) 采用直流外置电源布局, 维护简单、方便;
(5) 采用模块化结构设计, 简化了结构、优化了驱动、方便安装、易于维护、降低了运营维护成本。
5 结论
围绕高亮LED日光灯在家庭照明领域应用这一关键问题, 提出了采用CGC斩波群控制技术驱动的方式, 从而提供更精确更稳定的驱动, 使LED日光灯的发光效率更高、寿命更长;采用双层非规则型透镜可对直射光线进行扩散及漫反射的原理, 综合运用科学的二次光学设计, 实现了光线的柔和性;设计了翼状叠片式散热器, 大大满足高亮LED对散热的需求。该方案有效解决了制约LED日光灯发展的瓶颈问题, 为其在家庭照明和公共照明领域的推广使用打下了基础, LED日光灯必将成为未来低碳照明的主力军。
摘要：国内外对高亮LED照明驱动电路的设计均基于LED恒流工作的特性, 多数国家采用恒压恒流型开关电源, 发光方面没有进行二次光学设计, 散热处理还存在很多弊端。围绕高亮LED日光灯的驱动电路、二次配光、散热等问题进行了研究, 给出了切实可行的技术方案。
关键词：LED日光灯,CGC技术,翼状叠片式散热,花生米透镜
参考文献
[1]周骅, 刘桥.基于恒电流二极管的LED驱动电路设计[J].贵州大学学报 (自然科学版) , 2011 (3) .
[2]王明清.LED照明日光灯驱动电源与连接结构方案分析[J].信息与电脑 (理论版) , 2011 (8) .
LED闪光灯电源设计 篇7
LED作为新型 的照明器 件 , 被广泛应 用在家居 照明 、路灯照明 、LED显示等领 域[1]。 为了充分 发挥LED高效节能 、 工作寿命 长等优点 , 高效率 、 高功率因 数 、 高可靠性 的驱动电 源成为了LED应用中的 研究热点[2]。 普通LED电源一般 采用大电 解电容作 为储能元 件 , 工作寿命 短 ,限制着LED整体系统 长寿命的 优点 。 因此 , 在提高功 率因数的 前提下 ,如何减小 电解电容 或采用无 电解电容 的研究成 为解决大 功率LED驱动电源 和工作寿 命匹配的 主要方法 之一[3,4]。 为了提高 电源利用 率 ,减少电源 谐波 , 降低LED工作中存 在的频闪 、 功率因数 低等问题 ,LED的驱动电 源一般采 用具有单 级PFC的恒流驱 动方式[5,6]。 本设计采 用CCM模式下隔 离型AC/DC电源变换 电路和UCC28810构成的功 率因数校 正电路作 为主电源 , 并通过专 用的恒流 电路得到 高效率 、 高功率因 数 、 高稳定性 的LED驱动电源[7,8]。 文中重点 阐述输出30 V / 600 m A的LED驱动电源 系统的整 体设计方 法 , 给出具体 的设计原 理图 ,并对设计 样机进行 测试 。 系统整体 框图如图1所示 。
1电路结构与原理分析
1.1主电源电路设计
主电源采 用经典的 单端反激 结构 , 输入端由 保护电路 和EMI电路组成 ,输入电压 经过EMI滤波器和DB107整流桥 ,经C2和L2组成的差 分低通滤 波器滤除 由高频开 关产生的 电流纹波 ,得到VCC, 结合MOS管的开通 和关断 ,通过变压 器耦合到 副边 ,利用副边 电容 ,将半正弦 波滤成较 为平滑的 直流电 。 同时 , 由TL431和PC817将输出电 压反馈回 变压器原 边的控制 芯片进行 电压调整 , 使输出电 压稳定在 指定值 ,电路如图2。
电路中R3、R22、R23、R24、C3和D4组成了RCD吸收回路 , 用于吸收 初级的漏 感能量 , 减小EMI干扰 。 变压器T2的副边用E1滤除低频 纹波 ,C4和L3抑制输出 的高频纹 波 。 输出电压 通过R6、R12分压 , 送到TL431的1脚上 , 通过C8、R11、C9反馈元件 , 利用光耦 器件U1将电压误 差反馈到 原边送给UCC28810进行调整 。
1.2PFC高频变压器设计
1 . 2 . 1初级电感 量的计算
如图2所示 , 采用反激 隔离型PFC电路 , 当电源工 作在DCM模式或者 是CRM模式时可 实现较高 的功率因 数 ,本设计电 源工作采 用CRM模式 ,单级PFC工作于临 界模式变 压器的初 级电感量 公式[7]:
其中 ,VIN ( rms )为输入电 压有效值 ,PIN为输入功 率 ,fSW为开关频 率 ,D为占空比 ,PF为功率因 数 ,n为变压器 匝数比 ,VO为输出电 压 。
设定VIN ( rms )= 99 V , D取0 . 45 , PF值取0 . 95 , 开关频率 取80 k Hz,效率取85%,则输入功 率为 :
代入式 (1)可得 :
1.2.2变压器磁芯的选择
设计中考 虑电源的 功率 、 频率 、 拓扑结构 , 并结合成 本因数 , 选择PC40材质 , 按照AP法初步选 择磁芯的 型号 :
式中 ,AW为磁芯窗 口面积 ,Ae为磁芯截 面积 ;PO为输出功率;△B为磁芯工作磁感应强度,取0.23 T;Ku为窗口有效 使用系数 ,取0.3;Kj为电流密 度 ,取400 A/cm2。 选用锰锌铁氧 体磁芯EE25, 电感量系 数AL= 2 000 n H / N2, Ae= 40 . 3 , AW= 78 . 73 ,AP = 0 . 317 3 > 0 . 023 9 。
1.2.3初次级线圈数及磁芯气隙的确定
设计中选 取的MOS管为6N80, 其耐压为800 V, 而输入电 压最大为242 V , 其峰值为419 V , 给MOS留下300 V的裕量 , 则允许的 反射电压 :
初级次级 匝数比 :
初级电流 :
初级匝数 :
磁芯气隙 :
次级匝数 :
辅助绕组 匝数 :
式中 ,Va是辅助绕 组输出电 压 ,取16 V。
1.2.4初次级线径的确定
初级电流 有效值Irms1、 次级电流 峰值IP2、 次级电流 有效值Irms2分别为 :
初次级线 截面积 :
式中,SP为漆包线的截面积;Kj为电流密度,一般取2.5 A/mm2。
由式(14)和(15)可得 ,初级线截 面积为0.1 mm2,次级线截 面积为0.3 mm2。 故选取初 级线径为 单股0.2 mm, 次级线径 为0.2 mm,三股并绕 。
1.3PFC功率因数校正电路设计
利用UCC28810构成PFC功率因数 校正电路[8], 如图3所示 。
图3中 ,EAOUT引脚的输 入电压和VINS引脚的输 入电压通 过UCC28810内部乘法 器相乘 , 然后与电 流采样输入引 脚ISENSE的电压进 行比较 , 从而决定MOS管的关断 时刻 。 当ISENSE引脚的输 入电压Visense≥0.67× ( VEAOUT- 2 . 5 V ) × ( VVINS+ 75 m V ) 时 , MOS管关断 , 而MOS管的开通 是由TZE引脚的输 入电压决 定的 。 TZE引脚的外 部一般接 到辅助绕 组 ,所以能检 测到变压 器的退磁 过程 ( 即次级电 流放电过 程 ) , 从而使芯 片强制工 作在临界 导通模式 。
如图2,T2副边电流 经过变压 器耦合到 原边 , 经R9 、R10后转换为 电压 , 通过R7和C6组成的低 通滤波器 送入UCC28810的电流采 样引脚ISENSE构成电路 检测及滤 波电路 , 经R18、R19、R20分压后送 入UC28810的瞬时半 正弦波检 测引脚 。
1.4恒流调整控制电路
恒流调整 控制电路 主要由CC2530可编程微 处理器和 高效率LED驱动芯片SN3350组成[9,10], 利用INA193采样流过 负载LED的实时电 流 , 并送CC2530进行处理 ,如图4所示 。
通过在LED两端并联 一个多层 瓷片电容C14, 可以使输出电 流的纹波 减小 。 这个电容 虽然不会 影响系统 频率和效 率 , 但是会通 过减小LED两端电压 上升速度 , 增加启动 时间 。
2实验与结果分析
图5为交流110 V和220 V输入时的 波形图 。 从图中可 以看出 , 输入电流 波形很好 地跟踪输 入电压波 形 , 利用功率 因数表测 试 ,PF值为0.975和0.983,实现了较 好的功率 因数校正 。
AC / DC变换后的 输出30 V电压波形 如图6所示 ,提供给后 级LED恒流电路 。 从测试波 形可看出 ,输出电压 的直流分 量RMS =30 V; 并在直流 分量上叠 加有RMS = 591 m V 、 频率为177 Hz的纹波电 压 , 获得较好 输出效果 。
对LED驱动电源 进行整体 测试 ,实验测试 的结果如 表1所示 。
分析表1的测试数 据 , 对于第一 级电源 , 在95 V~ 258 V交流电压 输入的情 况下整个 电源都能 正常工作 , PF值都在0 . 965以上 ; 负载调整 率和电压 调整率较 好 , 输出电压 基本保持 不变 , 输出纹波 较小 , 并且在全 电压范围 内的效率 都达到了85%以上 。 对于第二 级电源 ,整个测试 的过程中 输出电流 基本保持 不变 ,达到了恒 流的精度 要求 , 效率也保 持在90% 以上 , 实现了高 功率因数 、高效率的 设计要求 。
3结论
LED闪光灯电源设计 篇8
当前全球能源短缺和地球环境变暖的忧虑再度升高,节能减排是全世界面临的重要问题,在照明领域,被称为希望之光的第四代绿色照明光源LED正吸引着世人的目光,是当前照明产业发展的趋势。
尽管目前LED照明发展比较迅猛,但在一些技术指标上还需要大的提高,其主要表现为存在着光衰。LED光源虽然寿命比较长,但目前使用一定的时间以后,其照度会下降,产生光通量衰减(光衰)。产生LED光衰的原因主要有两个:1)是LED产品本身品质问题,生产过程中采用品质不好的晶粒,晶粒散热不能很好地从PIN脚导出,导致LED晶粒温度升高,产生光衰;2)是LED的驱动电源问题,目前LED的驱动电源多数采用恒流电源,部分采用恒压电源,这类驱动电源往往导致流过LED的电流大于它的额定电流,从而使得LED本身发热,产生光衰。
由LED的晶粒造成的光衰,可以通过改变生产LED的工艺得到改进;LED照明的驱动电源的设计,是当前推广LED照明过程中的现实和迫切的问题。
1 LED的温度特性
LED产生光衰的根本原因是LED在使用过程中温度超过其额定温度,因此分析LED的温度特性,对于设计驱动电源具有密切的联系,本文以Cree公司的XLamp7090XR-E3.3V,350mA(1.2W)白光LED为例,介绍LED的温度和伏安特性关系以及结温和光衰关系。
1.1 LED的温度和伏安特性曲线
LED的温度特性首先体现在它的伏安特性曲线上,虽然在特定的温度情况下它的伏安特性曲线类似于一般二极管,但其伏安特性曲线随着温度的变化是比较大的,图1是温度在30℃~100℃之间的伏安特性曲线。
从图1中我们可以看到,这种LED的导通电压随着温度变化改变是比较大的,通常可以达到-4mV/℃,比一般的二极管大约一倍,相应的这种LED工作电流随温度的变化也是较大的,基于这种特征,一旦LED的工作温度升高,LED的导通电流就加大,电流越大,温度又会越高,形成恶性循环,不仅会使LED产生光衰,同时还要影响整个装置的散热条件,影响整个装置的使用寿命,因此必须控制LED的工作温度。
1.2 LED的结温与光衰
图2是LED结温与光通量衰减的时间曲线,从图2中可以看出:结温越高,光通量衰减越快,结温与光通量衰减基本上呈线性关系。以光通量衰减到80%计算LED的工作期限,在结温为105℃时,约10000小时,在结温为65℃是,工作期限约为8万小时,因此控制结温,就可以延缓光通量衰减的时间,也就是延长LED使用期限。
2 LED脉冲驱动电源的设计
本文基于温度传感器控制的LED脉冲驱动电源设计的主要思想是:LED是以额定电流启动和工作的,通过LED的电流为方波,随着照明时间的增加,LED的温度升高时,根据LED伏安曲线的温度特性,控制通过LED上的电流脉冲的导通比,减少流过LED上的电流,达到控制LED的工作温度,从而减少光衰,延长LED的使用寿命。
2.1 脉冲电源设计的工作原理
基于温度传感器控制的LED脉冲驱动电源设计的原理如图3所示,220V交流电压经整流滤波稳压形成由脉冲发生器控制的驱动电路,脉冲发生器的工作频率设计在300Hz~400Hz之间,脉冲的导通比由温度传感器控制,当温度在常温时脉冲导通比设计为90%,随着温度升高,导通比将逐步下降,因此流过LED的电流将逐渐地减少,从而使LED的温度降低。
2.2 脉冲驱动电源的电路设计
脉冲发生电路是非常成熟的电路,应用也比较广泛,选择使用脉冲发生电路的原则是线路简洁、可靠性高、寿命长;本文采用典型的555时基电路作为脉冲发生电路,555时基电路具有工作电压宽,易于调节的特点。图4为使用温度传感器调节脉冲的电源电路线路图,其中Rt为温度传感器,脉冲宽度由Rt、R1、R2和C1的参数决定,Q1为功率开关三极管,R3为限流电阻。
2.3 相关器件的选择和参数计算
温度传感器Rt采用负温度系数的半导体热敏电阻,型号采用MF11系列,其电阻与温度的关系曲线如图5所示,在常温下25℃时电阻值约为8.2K,在85℃时电阻值约为1.5K。考虑到LED在25℃时电路的导通比为90%,在85℃时导通比为75%,根据555时基电路的频率周期计算公式,占空比D为:
25℃时:Rt=8.2K,85℃时:Rt=1.4K,计算:R2=1.13K,取R2=1.2K;R1=0.86K,取R1=0.82K;工作频率设计为400HZ,C1取值为1.2uF。占空比由90%调节到75%,通过LED管芯的电流可以下降16.7%,足以限制和保护LED的温度当电源的不超过85℃,从而解决LED的发热和光衰问题。
3结束语
LED照明电源设计的不合理,不仅将大部分的电功率转化为热量,同时还需要设计比较大的散热器,这样电路不仅复杂,故障率还高,使用寿命短、生产成本也将升高,大大地限制了市场的竞争力与购买群。将目前LED恒流或恒压驱动的电源,设计成用温度传感器控制的脉冲驱动电源,不仅电路简洁,还可以从根本上解决LED照明中的散热问题,节约成本,提高效率,延长LED照明的工作寿命,是当前推广LED照明行之有效的途径和手段。
参考文献
[1]胡险峰,朱世国PN结正向伏安特性曲线随温度的变化物理实验,2003.10.
[2]程江华,谢剑斌,丁文霞,等.白光LED电源驱动电路的设计与实现.电子技术,2005,(8).
[3]国家半岛体照明产业联盟.中国半导体照明产业发展年鉴(2006).科学出版社,2006.