一種長(cháng)壽命LED驅動(dòng)電路設計方案

　　本文主要針對現有LED驅動(dòng)電路因存在電解電容而縮短其壽命的缺點(diǎn)，提出了一種無(wú)電解電容的LED驅動(dòng)電路的設計方案。該方案以延長(cháng)電路使用壽命為主題，以開(kāi)關(guān)電源與線(xiàn)性電源相互結合為基礎，揚長(cháng)避短充分利用各自的優(yōu)勢，因為開(kāi)關(guān)電源具有高效率的能量變換的特點(diǎn)而線(xiàn)性電源具有無(wú)輸出紋波的特點(diǎn)，本設計方案充分利用其各自的優(yōu)勢來(lái)替代電解電容濾波，有效的解決了現有 LED驅動(dòng)電路存在壽命短的問(wèn)題。這款LED驅動(dòng)電路無(wú)大容量電解電容，小型電容可以采用長(cháng)壽命的薄膜電容等容性元件，使其具有壽命長(cháng)、效率高、紋波電流小特點(diǎn)，并且具有較高的安全性和穩定性。

　　1.前言

　　LED（發(fā)光二極管）為新一代的綠色照明光源，具有節能、環(huán)保、高亮度、長(cháng)壽命等諸多優(yōu)點(diǎn)。它不僅是照明光源的新寵，也與人們的生活戚戚相關(guān)。因此，研制長(cháng)壽命的驅動(dòng)電源，構建高效率、低成本、高功率因數和是LED燈發(fā)光品質(zhì)和整體性能的關(guān)鍵，也是 LED照明技術(shù)發(fā)展的需要。據不完全統計現有的白熾燈泡壽命比LED燈少約40倍。因為發(fā)光二級管不僅是直流電流驅動(dòng)器件，也是光電轉換器，有將光電轉換的功能。它的作用主要是通過(guò)流動(dòng)電流，將電能轉變?yōu)楣饽?，所以其?yōu)勢是比一般的光源的節能效率和工作壽命都要高。但是，在LED驅動(dòng)電源的整流電路和濾波電路中一般需要使用大容量的電解電容。電解電容器的壽命一般為l05℃/2000h，就是說(shuō)當電容周?chē)鷾囟壬叩?05℃時(shí)其壽命只有84天，即使工作在溫度為85℃的環(huán)境中，使用壽命也僅為332天，所以電解電容是阻礙LED驅動(dòng)電路壽命的主要原因。為了提高驅動(dòng)電源的壽命，有必要去掉電解電容，為此文中提出一種無(wú)電解電容的高亮度LED驅動(dòng)電源。

　　2.LED驅動(dòng)電路的工作原理

　　本設計方案電路的總體框圖如圖1所示：

　　電路拓撲采用反激式拓撲電路、利用PWM控制開(kāi)關(guān)頻率，使其輸出恒定的電流和電壓，驅動(dòng)LED燈。主要包括：前級保護電路、EMI濾波電路、整流電路、RCD鉗位電路、同步整流電路、功率轉換電路、輸出濾波電路、反饋電路、控制電路等。

　　為了使電路受電磁干擾較小，將EMI濾波電路接在前級保護電路后，通過(guò)它將電路中的高次諧波和電路中的浪涌濾除。

　　在輸入整流部分上，分別由橋式整流電路及π型濾波電路構成，因為二極管具有單向導通的特性，所以橋式整流電路可以將交流電轉換為單向的直流電，而后在π型濾波電路的作用下，輸出穩定直流電壓。

　　再由控制電路調節和控制使輸出達到設計值，最后經(jīng)過(guò)輸出濾波電路，使輸出波紋減小變成直流電，最后將直流電輸出給LED使用。

　　3.LED驅動(dòng)電路的具體設計

　　3.1 輸入電路的設計

　　本設計電路的指標為：輸入交流電壓Vin:90-264 VAC/50-60Hz;輸出電壓Vo:27VDC;輸出電流Io:0.68A.

　　如圖2所示，輸入電路包括安全保險裝置、EMI噪聲濾波裝置、橋式整流電路和π型濾波電路。

　　如圖2所示，為了減少在1MHz的頻段內的電磁干擾，由電容C1、C2和電感L1、L2組成了EMI噪聲濾波電路。安全保險裝置由保險絲和 ZNR組成，當有危害電路的尖峰電流產(chǎn)生的時(shí)候，保險絲會(huì )迅速切斷電路以保護負載；ZNR是浪涌吸收器，當驅動(dòng)電路的輸入端出現靜電和浪涌時(shí)它會(huì )變得阻抗很高，因此可以保護后面的電路。橋式整流濾波電路，它的作用是將交流電轉換成直流電，其后的π型濾波器的作用濾除電路中電壓與電流的波紋。

　　3.1.1 EMI濾波器的設計

　　EMI濾波電路圖如圖3所示，EMI濾波電路在整流橋前，由差模電容CX1和CX2，主要用于衰減差模干擾，其值一般較大。

　　為了減少差模干擾，所以在整流橋后添加由C1、C2和L1組成π型差模濾波器。

　　EMI濾波電路中的差模電容選用X安規電容，安全等級為X2，其耐壓值2500V，其中CX1=0.47uF，CX2=0.01uF.共模電感LX1為7mH和LX2為1mH.整流橋后π型濾波電路的C1和C2濾波電容選用耐壓450V的薄膜電容，其電容值為0.22uF;差模電感L1大小為1mH.

　　從圖4中可以看出，當頻率高過(guò)1KHZ時(shí)噪聲信號會(huì )有明顯的下降?？梢钥闯鲈撾娐房梢杂行У亟档透哳l干擾。

　　3.1.2 整流橋二極管的選擇

　　整流橋二極管的電壓應力為：

　　考慮裕量，選用H D 0 6 （ V R = 6 0 0 V，IFAN=0.8A）。

　　3.2 高頻反激變壓器的設計

　　3.2.1 變壓器的參數的設計

　?。?）使用90Vac輸入電壓和9串負載做為最差工作條件來(lái)設計。

　　3.2.2 變壓器的仿真

　　如圖5所示，變壓器工作在DCM條件下原邊與副邊的電路電流波形圖。從圖中可以看出原邊電流Ipm與副邊電流Ism的值總是在從0開(kāi)始增加，變壓器工作在此狀態(tài)可以保證能量的基本完全傳遞。

　　3.3 輸出電路的設計

　　如圖6所示。輸出電路由整流二極管D4，濾波電容C9，C10和穩壓管D5組成。

　　3.3.1 輸出整流二極管的選擇輸出整流二極管D4的選擇標準：額定電壓應大于1.5倍的輸入電壓，額定電流應當大于2倍的輸出電流，反向恢復時(shí)間小于100ns.綜上所述，D4選擇為MB220，其參數為：200mA，100V，trr=50ns.

　　3.3.2 輸出電容的選擇

　　如圖6所示，C9和C10是輸出濾波電容，由于輸出負載是LED串，根據LED的伏安特性，LED 正向導通電壓的較小的波動(dòng)，都會(huì )導致LED導通電流較大的變動(dòng)，因此要控制輸出的紋波電壓，而且在控制環(huán)節采用電流補償和提高開(kāi)關(guān)頻率的技術(shù)，使得在不增大紋波電壓的情況下適當的減小輸出電容值，因此這里選用的是四個(gè)22nF/50V的電解電容并聯(lián)。

　　3.3.3 穩壓管的選擇

　　如圖6所示，D 5為輸出電路中的穩壓管，因為當開(kāi)關(guān)關(guān)斷的瞬間將會(huì )有反向電流流過(guò)IPD，這種反向電流將會(huì )導致器件損壞，所以應在輸出電路中添加穩壓管。使用的穩壓管應達到指標：I D》2？Io=2×0.68=1.36A，UD》Uo=27V，反向恢復時(shí)間trr《100ns.考慮裕量，所以本設計采用的器件為 MB220，其設計的參數為：2A/43V/50ns.，。

　　如圖7 所示， 負載的電流波形圖為i（p），負載的輸出電壓波形圖為out，從圖中可以看出，輸出電壓穩定在27.8V，輸出電流穩定在0.68A.

　　3.4 有源紋波補償電路的設計

　　3.4.1 有源紋波補償理論

　　因為現有的L C濾波電路無(wú)法完全濾除紋波，而且電容量小的電容濾波效果更差，所以傳統的開(kāi)關(guān)電源輸出波紋大，若流過(guò)LED的電流紋波過(guò)大將不僅影響了LED的光效，而且影響LED的光衰，特別是電解電容由于它的使用壽命短，從而嚴重的縮短了開(kāi)關(guān)電源和LED的使用壽命。因此，從研究小電容量入手、以輸出紋波小、能量變換效率高為內容，以使用的安全性和長(cháng)期性為目的，構建新型驅動(dòng)電源，是十分重要的和必要的，是當前急需解決的問(wèn)題，具有一定的科學(xué)性和可靠性。

　　文獻［4］在總結主輔補償電路的基礎上，采用線(xiàn)性電源對電感紋波電流進(jìn)行補償的方法，其電路結構如圖8所示。通過(guò)檢測電阻R1的電壓來(lái)檢測電感紋波電流，放大器輸出與電感紋波電流反向的補償電流通過(guò)電阻R5將電感紋波電流補償。該電路通過(guò)用電阻匹配來(lái)解決紋波電流補償問(wèn)題，容易實(shí)現；并且省去電解電容，使得電源的使用壽命能夠延長(cháng)。

　　3.4.2 有源紋波補償電路的設計與仿真

　　如圖9所示，有源紋波補償電路由三極管，運算放大器A1，A2，和電感電流檢測電阻組成。其原理是通過(guò)檢測電感兩端的電流，通過(guò)運算放大器A1和A2比較后控制三極管的開(kāi)關(guān)實(shí)現電流的補償。

　　如圖10所示，圖i（p）為電感輸出電流，圖i（e）為補償電流，二者疊加后為輸出到二極管的電流。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)補償電路對LED電流的補償可以有效地減小電流波紋。

　　4.結束語(yǔ)

　　目前LED驅動(dòng)電路中，影響驅動(dòng)電路整體壽命的主要因素是儲能電容，所以本設 計采用線(xiàn)性電源抑制輸出波紋，達到減小儲能電容的電容量的目的，因此可以在不增加輸出波紋的情況下采用壽命長(cháng)的薄膜電容取代電解電容，從而提高LED驅動(dòng)電路的整體壽命。從仿真結果來(lái)看，采用以有源紋波補償后，電路運行穩定，各項指標滿(mǎn)足要求，這說(shuō)明此方法能夠有效的提高了驅動(dòng)電路的使用壽命。