大功率LED照明恒流驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

大功率LED照明恒流驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

在當(dāng)今全球能源緊缺的環(huán)境下，節(jié)約能源已成為大勢(shì)所趨。同時(shí)，國家也大力倡導(dǎo)節(jié)能減排，已結(jié)束的2008年北京奧運(yùn)會(huì)和即將到來的2010年上海世博會(huì)都不約而同地以綠色節(jié)能為主題，這就給中國LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的歷史機(jī)遇。大功率LED具有光效高、低功耗、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性高、光色純、安全性好、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，正逐步取代以往的光源，開始廣泛運(yùn)用于全彩顯示屏、交通信號(hào)燈、汽車車燈、背景光源、景觀照明、特種工作照明等，成為照明領(lǐng)域的新一代綠色光源。據(jù)國內(nèi)有關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，在奧運(yùn)、世博的強(qiáng)力帶動(dòng)下，中國LED照明市場(chǎng)規(guī)模將從2007年的48.5億元快速增長(zhǎng)至2010年的98.1億元。有關(guān)專家分析認(rèn)為，中國LED照明產(chǎn)業(yè)將在2010年前后迎來新的發(fā)展高峰。

問題的提出
一般來說，大功率LED的功率至少在1W以上，目前比較常見的有1W、3W、5W、8W和10W。其被稱為“綠色光源”，正朝著大電流（300mA～1.4A）、高效率（60～120lm/W）、亮度可調(diào)的方向發(fā)展。然而，大功率LED的發(fā)光強(qiáng)度是由流過LED的電流決定的，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，因此LED驅(qū)動(dòng)需要提供恒流電源，以保證大功率LED使用的安全性，還需要滿足預(yù)期的亮度要求，并保證各個(gè)LED亮度、色度的一致性。所以，傳統(tǒng)上用于驅(qū)動(dòng)燈泡(鎢絲)、日光燈、節(jié)能燈、鈉燈等光源的電源并不適合直接驅(qū)動(dòng)大功率LED。用市電驅(qū)動(dòng)大功率LED也需要解決降壓、隔離、PFC（功率因素校正）和恒流問題，還需有較高的轉(zhuǎn)換效率。

目前，市場(chǎng)上有上千款關(guān)于大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)的專用芯片，國內(nèi)有廣鵬 (ADDtek)、點(diǎn)晶(SITI)、晶锜(SCT)、華潤矽威(PT)，國外有美國的超科(Supertex)、德州儀器（TI）、美信、國半、英國的捷特科（Zetex）等知名廠家。大多專用芯片采用遲滯型轉(zhuǎn)換器，低電壓輸入范圍，可升壓、可降壓、PWM控制、功率開關(guān)可內(nèi)置或外置、輸出電流可以達(dá)到1.5A，內(nèi)置過壓、欠壓、開路/短路和溫度保護(hù)電路等。

如圖1所示，遲滯型轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵特點(diǎn)是自振蕩，這意味著頻率將隨輸入電壓、LED電流和驅(qū)動(dòng)LED數(shù)量的變化而變化。然而，這種轉(zhuǎn)換器經(jīng)常運(yùn)行在連續(xù)模式下，這意味著電感永遠(yuǎn)不會(huì)飽和，也不會(huì)完全耗盡電流，MOSFET關(guān)斷后還繼續(xù)有電流維持LED亮度。但缺點(diǎn)是占空比和頻率不斷改變的情況下檢測(cè)電阻RCS呈現(xiàn)的阻抗是不一樣的，流經(jīng)RCS的電流和LED實(shí)際電流相比不完全一致，檢測(cè)數(shù)據(jù)存在偏差。

圖1 遲滯型轉(zhuǎn)換器

在大功率LED照明工程領(lǐng)域中，需要100W以上大功率的恒流驅(qū)動(dòng)電源，同時(shí)要求較高的效率和功率因數(shù)，目前市場(chǎng)上的E27、B22和GU10燈頭用LED驅(qū)動(dòng)電源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大功率LED照明工程領(lǐng)域。

大功率LED的驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)考慮
從照明燈具發(fā)展歷史來看，幾乎沒有采用隔離方式。隔離方式設(shè)計(jì)勢(shì)必影響燈具驅(qū)動(dòng)效率，也不符合未來節(jié)能降耗要求，所以LED照明不一定要采用隔離方式設(shè)計(jì)。

在大功率LED的串聯(lián)數(shù)量方面，流經(jīng)大功率LED的電流不再受大功率白光LED串聯(lián)數(shù)量的限制。為了滿足不同的發(fā)光亮度需求，通過靈活地驅(qū)動(dòng)多個(gè)大功率LED就可以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于大功率白光LED的并聯(lián)使用，該類電路仍無法保證并聯(lián)分支LED的發(fā)光亮度一致性。但可以使用多個(gè)相同恒流電源，分路驅(qū)動(dòng)不同的并聯(lián)分支LED，這樣就保證了并聯(lián)分支LED屬性一致性，從而可以解決發(fā)光亮度一致性的問題。

采用全部串聯(lián)方式要求LED驅(qū)動(dòng)器輸出較高的電壓。當(dāng)LED的一致性差別較大時(shí)，分配在不同LED兩端的電壓不同，但通過每顆LED的電流相同，LED的亮度一致。如采用恒流式LED驅(qū)動(dòng)，當(dāng)某一顆LED品質(zhì)不良短路時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)器輸出電流保持不變，不影響余下所有LED正常工作。當(dāng)某一顆LED品質(zhì)不良斷開后，串聯(lián)在一起的LED將全部不亮。解決的辦法是在每個(gè)LED兩端并聯(lián)一個(gè)齊納管，不過，齊納管的導(dǎo)通電壓要比LED的導(dǎo)通電壓高，否則LED就不亮了。如廣鵬 (ADDtek)的大功率LED保護(hù)器A716、AMC7169和A720，分別是350mA、500mA和700mA LED保護(hù)器。如圖2所示，使用時(shí)將其與大功率LED并聯(lián)。

電源失效時(shí)負(fù)載斷開，這種功能在下列兩種情況下至關(guān)重要，即斷電和PWM調(diào)光。如圖2所示，在升壓轉(zhuǎn)換器斷電期間，負(fù)載仍然通過電感和二極管與輸入電壓連接。這樣即使電源已經(jīng)失效，還會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生一個(gè)小泄漏電流，極大縮短了LED的壽命。負(fù)載斷開在PWM調(diào)光時(shí)也很重要。在PWM空閑期間，電源已經(jīng)失效，但是輸出電容器仍然與LED連接，它會(huì)通過LED放電，直到PWM脈沖再次打開電源。實(shí)施負(fù)載斷開電路時(shí)，最好在LED和電流傳感電阻器之間放置一個(gè)MOSFET。在路燈照明設(shè)計(jì)中,一般要求白天有自動(dòng)關(guān)閉功能,可以在電路中間增加光敏電阻,在白天光線照射下阻值改變使那個(gè)MOSFET停止工作，當(dāng)然也可以使后級(jí)DC/DC停止工作。

圖2 大功率LED保護(hù)器

在許多情況下，利用低頻(50～200Hz)PWM方式調(diào)節(jié)LED電流非常方便，通過控制脈沖寬度來調(diào)節(jié)亮度。這種調(diào)節(jié)方法的優(yōu)點(diǎn)在于光譜保持不變，而采用幅度調(diào)節(jié)時(shí)，光譜會(huì)隨著流過LED電流的變化而改變。一般來說，低頻PWM調(diào)光電路的效率比線性LED調(diào)光電路更高。在路燈照明設(shè)計(jì)中,一般需要在半夜某時(shí)將路燈照度減低一半,節(jié)能降耗?？梢栽陔娐分虚g增加定時(shí)器，到時(shí)間輸出50%占空比即可功率減半。

防水設(shè)計(jì)，按使用環(huán)境分為戶外、戶內(nèi)。目前的防水電源大多是以環(huán)氧樹脂作為防水密封填充材料，顏色主要為黑色，當(dāng)然也有白色以及其他一些顏色。有少數(shù)廠家采用了其他的防水填充材料。重要的是它要能經(jīng)得起高溫、冷凍、雨水以及一些腐蝕性物質(zhì)的浸襲。

100W的LED路燈可以替代250W的高壓鈉燈，或300W的水銀燈。100W的LED路燈,其輸出光通量大約為6 250lm(經(jīng)過二次光學(xué)設(shè)計(jì),會(huì)有所損失)，到達(dá)路面時(shí)的流明數(shù)仍為6000，而路面的平均照度可以達(dá)到16Lux(桿高12m)。250W高壓鈉燈的輸出光通量為20 000lm，但到達(dá)路面的流明數(shù)就只有7000，路面的照度大約為30～40Lux。由于顯色系數(shù)的差別,LED的照度修正系數(shù)為2.35倍，高壓鈉燈的修正系數(shù)為0.94倍。所以，100W的LED經(jīng)過修正以后，地面的照度為37.6Lux，而高壓鈉燈修正后的照度為28.2～37.6Lux，二者相當(dāng)。所以，100W的LED路燈可以取代250W的高壓鈉燈，LED路燈可以節(jié)能60%。

如果不進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，LED的照射是比較集中，所以一定要進(jìn)行二次光路設(shè)計(jì)，使其光強(qiáng)呈蝙蝠形，照射范圍可以達(dá)到66m。

主回路設(shè)計(jì)
大功率LED照明恒流驅(qū)動(dòng)主電路采用優(yōu)異的BOOST和DC/DC的兩級(jí)組合方式，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)流特性，解決了電網(wǎng)的諧波污染問題，使大功率LED驅(qū)動(dòng)電源更加綠色環(huán)保。

BOOST采用主動(dòng)式有源功率因數(shù)校正(APFC)電路，工作在連續(xù)模式，諧波電流和開關(guān)管電壓電流應(yīng)力小。DC/DC采用半橋LLC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器，元器件數(shù)量有限，諧振儲(chǔ)能(tank)元件能夠集成到單個(gè)變壓器中，因此只需要1個(gè)磁性元件。在所有正常負(fù)載條件下，初級(jí)開關(guān)都可以工作在零電壓開關(guān)(ZVS)條件，而次級(jí)二極管可以采用零電流開關(guān)(ZCS)工作，沒有反向恢復(fù)損耗。特別適用于中、高輸出電壓轉(zhuǎn)換器的高性價(jià)比、高能效和EMI性能優(yōu)異的解決方案。

傳統(tǒng)功率因數(shù)校正電路技術(shù)復(fù)雜、設(shè)計(jì)步驟繁瑣、所需元器件多、體積大而且成本高。因此，設(shè)計(jì)時(shí)往往要在性能和成本之間進(jìn)行折衷。本設(shè)計(jì)采用了IR1150，它是一種新型的單周期AC／DC功率因數(shù)校正控制芯片，采用了IR公司的專利單周期控制(0ne-cycle control，OCC)技術(shù)，無須傳統(tǒng)PFC電路所需的模擬乘法器、輸入電壓采樣以及固定的三角波振蕩器，大大簡(jiǎn)化了PFC電路的設(shè)計(jì)并縮小了裝置體積。

半橋LLC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器采用飛兆半導(dǎo)體公司推出的高集成度綠色FPS功率開關(guān)FSFR2100。其采用零電壓開關(guān)(ZVS)技術(shù)，能夠大幅降低MOSFET和整流器的開關(guān)損耗。采用這種技術(shù)，此FPS開關(guān)無須散熱器即可處理高達(dá)200W的功率，使用散熱器更可處理高達(dá)450W的功率。較之于傳統(tǒng)的硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌現(xiàn)SFR2100的效率提高了10%。它可以在輸入和負(fù)載大范圍變化的情況下調(diào)節(jié)輸出，同時(shí)開關(guān)頻率變化相對(duì)很小。此外，它可以在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓切換（ZVS）。最后，所有寄生元件，包括所有半導(dǎo)體器件的結(jié)電容和變壓器的漏磁電感和激磁電感，都是用來實(shí)現(xiàn)ZVS的。

照明恒流驅(qū)動(dòng)電源主電路如圖3所示，前級(jí)APFC實(shí)驗(yàn)電路輸入電壓AC 220V，額定輸出DC 380V，開關(guān)頻率f選擇70kHz，后級(jí)半橋LLC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器。輸出電壓范圍：DC 300～360V，輸出額定電流350mA，諧振頻率f0選擇100kHz，變壓器匝比n=Np/NS=0.6，功率滿足150～300W的輸出功率范圍。主電路依次是85V～264VAC→整流→PFC→380VDC→DC/DC（隔離）恒流→多顆LED串聯(lián)，APFC可以選用功率因數(shù)校正控制器IR1150、L6562和FAN7527B等，半橋LLC串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器選用FSFR2100。

圖3 大功率LED照明恒流驅(qū)動(dòng)電源主電路

關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)
LED照明驅(qū)動(dòng)方式，由于直接將RSET連接FB端會(huì)造成RSET的功耗過大，所以功率較小的LED恒流驅(qū)動(dòng)電源往往在FB反饋端和RSET之間放置一個(gè)運(yùn)算放大器以降低功耗。如圖4所示，運(yùn)算放大器獲取采樣電阻RSET上的電壓，結(jié)合其他電阻和電容就可以構(gòu)成一個(gè)完整、高效率的大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)電路。這樣就能在確保LED獲得恒流供電的同時(shí)，將RSET的功耗降低到可以接受的水平，從而使LED兩端的電壓盡可能大，流經(jīng)的電流也盡可能大。

圖4 功率較小的LED恒流驅(qū)動(dòng)

大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)電源采用先穩(wěn)壓，再限流的混合方式。為適應(yīng)負(fù)載需要，電壓需要保證在一定范圍內(nèi)。LED的Vf值在3～3.6V之間，那么按LED實(shí)際數(shù)量即可確定電源部分需要調(diào)整的電壓范圍。大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)如圖5所示，設(shè)定穩(wěn)壓源的最大設(shè)定值VSET（比如DC360V），設(shè)定穩(wěn)流源的設(shè)定值ISET（300mA～1.4A），采樣RSET上的電壓，若超過穩(wěn)流源的設(shè)定值時(shí)，則輸出電壓相應(yīng)下降，根據(jù)LED燈串聯(lián)數(shù)量的多少，輸出電壓可降至最小值（如DC 300V）。

圖5 大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)

開關(guān)調(diào)節(jié)控制模式與電阻限流方式相比，電路成本較高；控制環(huán)路可準(zhǔn)確調(diào)節(jié)LED電流；可實(shí)現(xiàn)幅值和低頻PWM調(diào)節(jié)；能夠?qū)崿F(xiàn)LED特性的自動(dòng)溫度補(bǔ)償；寬輸入電壓范圍；基本上不需散熱器，可節(jié)省成本，對(duì)于高輸入電壓和大工作電流，其他驅(qū)動(dòng)方案會(huì)導(dǎo)致非常高的損耗，然而此模式仍能保持高效工作。

技術(shù)指標(biāo)
根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，大功率LED照明恒流驅(qū)動(dòng)電源的主要技術(shù)指標(biāo)為：輸入電壓85～264V；頻率47～63Hz；輸出功率100W；輸出電流：350mA±5%或700mA±5%；輸出方式：多顆1W以上大功率LED串聯(lián)方式；輸出電壓范圍：DC 300～360V，效率≥90％，功率因數(shù)≥0.99，諧波≤5%，穩(wěn)流精度≤5%；具有定時(shí)、調(diào)流、關(guān)機(jī)功能；具有過壓、過流、短路和過溫保護(hù)功能；全密封，防水要求IP65，外型尺寸(L×W×H)=185mm×70mm×45mm，重量1.5kg。工作溫度-40～+70℃，儲(chǔ)存溫度-50～+85℃，符合相關(guān)安規(guī)、ROHS和電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)、防雷設(shè)計(jì)（ICE-61000-4-5 Class 4）。較好地滿足了照明工程的要求。