大功率LED照明电路高效驱动技术研究

摘要：大功率发光二极管因其良好的性能在照明中得到广泛应用。介绍了发光二极管的电特性，并根据并联、串联的特点，对具有较好稳定性与可靠性的LED串并联组合电路加以分析。研究了用恒定输出电流驱动大功率LED组的反激式电路，并给出电路参数设计。根据驱动方法，构建了10．0 V／1．10 A的输出电路原型，并在额定负荷与过载负荷下进行测试，以检验电流的稳定性。试验结果表明，这个LED驱动电路精度高、性能稳定、效率高，说明所提出的方法对于驱动大功率发光二极管是切实可行的。
关键词：LED照明电路；反激式电路；恒定电流；驱动电路

0 引言
    作为一种光源，大功率发光二极管发光效率高、寿命长、稳定性好。随着半导体技术的快速发展，用LED作为发光器件，是未来若干年的一种发展趋势。
    随着大功率发光二极管在照明领域的迅速发展，研究高效的驱动方法显得越来越重要。发光二极管是低压大电流器件，因而小的电压变化会引起较大的电流变化。LED的光度主要取决于它的电流：电流太大，会引起器件性能退化；电流太小又会影响其亮度。因此，常采用恒定电流驱动大功率发光二极管。
    常规的线性恒流源电路结构简单，但由于体积大效率低而不常用。为了提升电源效率，只好用开关式电源为LED供电。因DC-DC PWM转换器效率高，常用它为LED驱动电路供电。通常，用于LED驱动电路的DC-DC PWM转换器有三种：即BUCK型，BOOST型和BUCK-BOOST型。这三种转换器都是非隔离型转换器。然而，有些隔离型的DC-DC转换器，例如反激式变换器，也可用于LED驱动电路，以获得恒定输出电流。反激式变转器副边滤波电感可以移开，以获得电气隔离，同时减小转换器体积、降低成本。此外，反激式变换器可以将任意个LED接到任一直流电源，只要调整变压器匝比即可，因而这种电路成为众多LED驱动电路的首选。
    最近数年涌现出许多新的LED驱动电路。谐振转换器拓扑技术一直是各种功率电路研究的课题，旨在获得大功率、低开关功耗和低的EMI。由于这些拓扑技术起着电压一电流转换器的作用，其中又没有使用电流敏感元件，因而在LED中的应用较多。具有自动调压功能的新颖LED驱动电路，是一个电流控制、单端初级电感转换器(SEPIC)。其中采用了顺序移相PWM调光方法来调整LED的亮度。此外，LED采用的反激式集成AC-DC转换器一直在研究如何降低其成本、提高输出以及功率因数。
    本文提出基于反激式变换器的恒定电流电路。作为9个大功率LED管的驱动电路，其中镇流器电阻以及辅助电流电路没有必要，从而提供一个高效、小体积、低成本LED照明系统。

1 发光二极管的电气特性
1．1 发光二极管的电特性
    发光二极管的核心是PN结，其伏安关系与普通二极管相同。从理论而言，LED的正向电流与正向电压呈现指数关系，如式(1)所示：
   
    式中：q为电荷；q=1．6×10-5；k为波尔兹曼常数，k=1．38×10-23J／K；T为热动态系数；β为常数，β取1～2。
    当电压加在LED上，N区电子具有充足能量穿越PN结进入存在空穴的P区。当电子非常接近P区正电荷时，两种电荷“重新组合”。正负电荷的每一次“重新组合”，就会以光子形式释放出某频率的量子电磁能量。因此，穿越PN结的电荷越多，发出的光也就越强。与此同时，电流也随着发出的移动电荷成正比增加。因此，LED的亮度随着流过电流而改变。

    图1反映了试验用发光二极管的正向电压与电流的特性、正向电流与亮度的特性(管子型号为CSHV-NL60SWG4-A2，额定功率1 W，额定电流350 mA，正向电压为3．4 V，发光效率为801 m／W)，正向电流是在2．6 V正向电压下开始流动，之后随正向电压上升在额定值范围内增加，当正向电压升至3．3～3．5 V时，正向电流达额定值350 mA。正向电流增加，亮度也正比增强。
1．2 发光二极管的连接方法
    单个发光二极管体形很小，其亮度(取决于驱动电流)不能满足一般照明要求。为获得足够亮度，必须把若干LED相连接，用恒流源为每个LED供电并保障亮度。有连接方式两种，即串联、并联。
    并联LED可以在不同电流下运行，若其中一个失效(断开)，其余还可正常运行。并联的主要不足在于，由于道闸电阻有偏差的缘故，电流均衡以及稳定运行。此外，道闸电阻随LED个数正比增加。
    串联连接中，每个LED的驱动电流必然是等效的，尽管电源与道闸电阻有偏差，以保证电源-负载系统的稳定运作。串联电路更为有效，因为每个LED的亮度稳定。串联电路的总电压与电流由LED的接通与损坏(断开)情况决定的。这种情况会影响LED的亮度。在最糟糕的情形中，LED一个一个地损坏。

    考虑到串联、并联各自的优缺点，该项目采用LED混联(串-并联)负载，恒流源电路稳定性、可靠性俱佳。如图2所示。
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2 驱动电路
2．1 电路状态
    该项目提出了由反激式DC-DC转换器组成的LED驱动电路，它带有恒定输出电流控制功能，驱动LED照明电路。由于有了这种驱动电路，整个LED照明电路显得体积小、重量轻，效率较高。驱动9个大功率LED的电路如图3所示。其中：T1是高频变压器；C1是输入滤波电容；C2是输出滤波电容；Ei是直流输入电压(桥式整流电压中的)；Vo是输出电压；Ii是输入电流；Io是输出电流；Di是整流二极管；Rd是电流检测电阻；U1是MOSFET做成的功率管理集成电路；U2是光电偶，用以光电隔离；U3是比较器。

    恒定电流输出电路的依据是负反馈原理。高频变压器T1将能量从输入端传递到输出端。在集成MOSFET“导通”期间，T1在原绕组中储存能量，输出电流仅由输出滤波电容C2供给。在MOSFET“关断”期间，变压器储存的能量被传输到LED负载与C2上，这时C2被充电。输出电流由Rd检测并转换为电压。通过比较检测电压与参考电压，U3产生一个控制信号。U1根据相应的控制信号调节集成MOSFET的“通／断”时间，从而向LED负载提供恒定输出电流。
2．2 功率管理芯片
    本文驱动器所用的功率管理芯片为IC-TNY277，属于Tiny-SwitchⅢ系列产品，由Power Integrations公司制造。TNY277芯片把高压电源MOSFET与电源调控器集成在一个器件上，采用“通／断”控制技术，成本低，功率可以扩展。TNY277芯片管脚分布见图3所示，其中D脚是功率MOSFET漏极连接处，提供内部启动与稳态运行工作电流；S脚内联到输出MOSFET源极，获得高压电源、控制电路公共端。EN／UV管脚有两个功能：使能输入、欠压检测。正常运行期间，功率MOSFET的切换由这个管脚来控制。
2．3 恒定输出电流电路的分析
    本文采用反激式变换器的恒定输出电流电路，这一节进行电路参数的分析。
    直流输入电压Ei是整流电压Vac形成的，其最大值可表示为：
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    假设初级绕组的初始电流为零，在MOSFET“导通”期间，在初级绕组上有一固定电压，其中的电流线性上升。在“导通”期间的末端，初级电流上升到Iip，如图4所示。

    在MOSFET“断开”期间，励磁电感中的电流迫使初级绕组电压极性反转。由于电感中的电流不能瞬间巨变，在“断开”瞬间，初级绕组电流传递到次级绕组后的大小为：
   
    式中：Np，Ns分别是初级绕组、次级绕组线圈匝数。
    在MOSFET“断开”期间，次级绕组电流线性下跌，如图4(b)所示，其平均值按下式计算：

    式中：N是初级绕组／次级绕组的匝比。
    假设：图3的参考电压是Vref；Rd检测到的电压是Vdec；稳压管V4的电压是V2，那么：
   
    当Vdec大于Vref时，光电偶起作用，MOSFET“关断”，产生输出电流；反过来，当Vdec小于Vref时，光电偶退出运行，MOSFET转而“导通”，输出电流开始增加，最终获得恒定的输出电流。

3 实验结果
    根据以上分析，设计并制作了(反激式变换器构成)驱动LED的恒定电流电路原型，其输入电压范围为180～260V交流电，电路输出为10.0 V／1．10 A。以9个大功率白色的LED作为负载，它们具有本文第2节描述的特性，采用混联方法。下面所有的实验都是在26．3°度室温和62．5％的湿度下完成的。 [p]
    220 V交流电源供电，在额定负荷下连续运行至少90 min，每10 min对电路测试1次，以验证其电流的稳定性。测量结果表明，输出电流在1．114 60～1．114 8 A范围内变化，电流误差为1．0％，电流稳定性为1．0％，见图5。

    220 V交流电源在过载运行下(LED负载串联一个1Ω)，电路持续运行至少90 min，每10min测量1次，观测到输出电流的变化范围为1．115 8～1．116 0 A之间，见图6之Io1。当LED阵列串联一个2 Ω电阻作为负荷，输出电流Io2保持稳定，但大小与Io1比稍小一点，因为受变压器T1最大输出功率的限制。
    带额定负荷(只带LED)在180～260V交流下运行，输出电流Io近似为1.11A，电路效率基本上在78％，电流误差0.9％，电流稳定性1.2％，见图7。

4 结语
    大功率LED光效率高、寿命长、稳定性好，在照明电路中应用广泛。但LED驱动电路在效率、可靠性、稳定性方面存在不足，妨碍了成本降低、限制了运行寿命和LED照明线路的应用范围。由于大功率LED的这些特点，本文研究了基于反激式变换器的恒流输出电路，设计、制作出输出10．0 V／1．10 A的原型电路。在180～260 V交流电压下，测得电流误差0．9％、电流稳定性1．2％、电路效率78％。结果表明，本文提出的驱动方法，精度高、稳定性好、效率高。