大功率LED照明恒流驅動(dòng)電源的設計

在當今全球能源緊缺的環(huán)境下，節約能源已成為大勢所趨。同時(shí)，國家也大力倡導節能減排，已結束的2008年北京奧運會(huì )和即將到來(lái)的2010年上海世博會(huì )都不約而同地以綠色節能為主題，這就給中國LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的歷史機遇。大功率LED具有光效高、低功耗、壽命長(cháng)、穩定性高、光色純、安全性好、可控性強等優(yōu)點(diǎn)，正逐步取代以往的光源，開(kāi)始廣泛運用于全彩顯示屏、交通信號燈、汽車(chē)車(chē)燈、背景光源、景觀(guān)照明、特種工作照明等，成為照明領(lǐng)域的新一代綠色光源。據國內有關(guān)機構預測，在奧運、世博的強力帶動(dòng)下，中國LED照明市場(chǎng)規模將從2007年的48.5億元快速增長(cháng)至2010年的98.1億元。有關(guān)專(zhuān)家分析認為，中國LED照明產(chǎn)業(yè)將在2010年前后迎來(lái)新的發(fā)展高峰。

問(wèn)題的提出
一般來(lái)說(shuō)，大功率LED的功率至少在1W以上，目前比較常見(jiàn)的有1W、3W、5W、8W和10W。其被稱(chēng)為“綠色光源”，正朝著(zhù)大電流（300mA～1.4A）、高效率（60～120lm/W）、亮度可調的方向發(fā)展。然而，大功率LED的發(fā)光強度是由流過(guò)LED的電流決定的，電流過(guò)強會(huì )引起LED的衰減，電流過(guò)弱會(huì )影響LED的發(fā)光強度，因此LED驅動(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(mǎn)足預期的亮度要求，并保證各個(gè)LED亮度、色度的一致性。所以，傳統上用于驅動(dòng)燈泡(鎢絲)、日光燈、節能燈、鈉燈等光源的電源并不適合直接驅動(dòng)大功率LED。用市電驅動(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(wèn)題，還需有較高的轉換效率。

目前，市場(chǎng)上有上千款關(guān)于大功率LED恒流驅動(dòng)的專(zhuān)用芯片，國內有廣鵬 (ADDtek)、點(diǎn)晶(SITI)、晶(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(chǎng)家。大多專(zhuān)用芯片采用遲滯型轉換器，低電壓輸入范圍，可升壓、可降壓、PWM控制、功率開(kāi)關(guān)可內置或外置、輸出電流可以達到1.5A，內置過(guò)壓、欠壓、開(kāi)路/短路和溫度保護電路等。

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

圖1 遲滯型轉換器

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動(dòng)電源，同時(shí)要求較高的效率和功率因數，目前市場(chǎng)上的E27、B22和GU10燈頭用LED驅動(dòng)電源遠遠不能滿(mǎn)足大功率LED照明工程領(lǐng)域。

大功率LED的驅動(dòng)電源設計考慮
從照明燈具發(fā)展歷史來(lái)看，幾乎沒(méi)有采用隔離方式。隔離方式設計勢必影響燈具驅動(dòng)效率，也不符合未來(lái)節能降耗要求，所以L(fǎng)ED照明不一定要采用隔離方式設計。

在大功率LED的串聯(lián)數量方面，流經(jīng)大功率LED的電流不再受大功率白光LED串聯(lián)數量的限制。為了滿(mǎn)足不同的發(fā)光亮度需求，通過(guò)靈活地驅動(dòng)多個(gè)大功率LED就可以實(shí)現。對于大功率白光LED的并聯(lián)使用，該類(lèi)電路仍無(wú)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(wèn)題。

采用全部串聯(lián)方式要求LED驅動(dòng)器輸出較高的電壓。當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(guò)每顆LED的電流相同，LED的亮度一致。如采用恒流式LED驅動(dòng)，當某一顆LED品質(zhì)不良短路時(shí)，由于驅動(dòng)器輸出電流保持不變，不影響余下所有LED正常工作。當某一顆LED品質(zhì)不良斷開(kāi)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(guò)，齊納管的導通電壓要比LED的導通電壓高，否則LED就不亮了。如廣鵬 (ADDtek)的大功率LED保護器A716、AMC7169和A720，分別是350mA、500mA和700mA LED保護器。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)負載斷開(kāi)，這種功能在下列兩種情況下至關(guān)重要，即斷電和PWM調光。如圖2所示，在升壓轉換器斷電期間，負載仍然通過(guò)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 )繼續產(chǎn)生一個(gè)小泄漏電流，極大縮短了LED的壽命。負載斷開(kāi)在PWM調光時(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(guò)LED放電，直到PWM脈沖再次打開(kāi)電源。實(shí)施負載斷開(kāi)電路時(shí)，最好在LED和電流傳感電阻器之間放置一個(gè)MOSFET。在路燈照明設計中,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(xiàn)照射下阻值改變使那個(gè)MOSFET停止工作，當然也可以使后級DC/DC停止工作。

圖2 大功率LED保護器

在許多情況下，利用低頻(50～200Hz)PWM方式調節LED電流非常方便，通過(guò)控制脈沖寬度來(lái)調節亮度。這種調節方法的優(yōu)點(diǎn)在于光譜保持不變，而采用幅度調節時(shí)，光譜會(huì )隨著(zhù)流過(guò)LED電流的變化而改變。一般來(lái)說(shuō)，低頻PWM調光電路的效率比線(xiàn)性L(fǎng)ED調光電路更高。在路燈照明設計中,一般需要在半夜某時(shí)將路燈照度減低一半,節能降耗?？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。

防水設計，按使用環(huán)境分為戶(hù)外、戶(hù)內。目前的防水電源大多是以環(huán)氧樹(shù)脂作為防水密封填充材料，顏色主要為黑色，當然也有白色以及其他一些顏色。有少數廠(chǎng)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(guò)二次光學(xué)設計,會(huì )有所損失)，到達路面時(shí)的流明數仍為6000，而路面的平均照度可以達到16Lux(桿高12m)。250W高壓鈉燈的輸出光通量為20 000lm，但到達路面的流明數就只有7000，路面的照度大約為30～40Lux。由于顯色系數的差別,LED的照度修正系數為2.35倍，高壓鈉燈的修正系數為0.94倍。所以，100W的LED經(jīng)過(guò)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。所以，100W的LED路燈可以取代250W的高壓鈉燈，LED路燈可以節能60%。