電容降壓式LED景觀照明燈驅(qū)動方案

0 引言

　　在國內(nèi)外倡導(dǎo)綠色環(huán)保及節(jié)能的背景下，伴隨著近年來LED光效、壽命及光色上的明顯進(jìn)步，半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）因具有節(jié)能、壽命長、驅(qū)動簡單、燈色種類多等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于景觀照明、數(shù)字化交通信息顯示、疏導(dǎo)標(biāo)識、室外全彩顯示屏及照度要求不高的室內(nèi)外照明等領(lǐng)域。

　　針對LED在城市亮化中的應(yīng)用現(xiàn)狀，筆者利用電力電子整流與恒流技術(shù)設(shè)計(jì)制作了一款LED景觀照明燈，它具有成本低、工作可靠、壽命長、控制簡單等特點(diǎn)，并可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行功能擴(kuò)展。

　　1 小功率LED驅(qū)動方案

　　目前小功率LED產(chǎn)品廣泛采用兩種驅(qū)動電路形式，即恒流驅(qū)動和穩(wěn)壓驅(qū)動。前者電路輸出的電流是恒定的，輸出電壓隨負(fù)載的變化而變化；后者輸出電壓是固定的，輸出電流隨負(fù)載（LED數(shù)目）的增減而變化。根據(jù)電源輸入與輸出電路形式也可分為隔離驅(qū)動和非隔離驅(qū)動，前者以開關(guān)電源為代表，而后者主要包括電容降壓式和恒流/恒壓IC.其相關(guān)性能、功耗、成本以及主要應(yīng)用如表1所示。

　　表1小功率LED驅(qū)動方案比較

　　2 LED景觀照明燈電路設(shè)計(jì)

　　LED景觀照明燈就是實(shí)現(xiàn)RGBLED的交替點(diǎn)亮以及漸變控制，電路設(shè)計(jì)如圖1所示。該電路采用3181集成芯片作為控制器，其相關(guān)功能及引腳參看文獻(xiàn)［4］，共控制36只小功率LED，采用RGB三基色LED各12只，驅(qū)動方案采用電容降壓式。

　　其中，C1、C5為并聯(lián)的兩個(gè)相同的電容，起降壓及限流作用；由4個(gè)lN4007組成的整流橋?qū)斎虢涣麟妷哼M(jìn)行整流；濾波電容C4用于濾除整流輸出電壓中的交流成分，使電壓更為平滑；肖特基二極管VD5穩(wěn)定a點(diǎn)的電壓；VD6為控制IC提供穩(wěn)定的電壓；R3、R4為限流電阻；R2、C2為控制IC提供交流輸入頻率，為集成IC提供交流采樣頻率；三極管VT1、VT2、VT3用于控制LED支路的電流變化。

　　圖1 LED景觀照明燈電路

　　2.1 降壓電容值的選擇

　　通過降壓電容C1、C5（后文中用C表示）向負(fù)載提供的電流I0，實(shí)際上就是流過充放電電流lc.當(dāng)負(fù)載電流，I0小于c的充放電電流時(shí)，多的電流就會流過濾波電容C4及其他支路。

　　式中Ui--輸入交流電壓有效值。

　　f--AC頻率。

　　對于負(fù)載所消耗的60 mA的電流I0至少需要降壓電容值為0.87uF，因圖l中增加高壓穩(wěn)壓二極管降壓，而二極管工作時(shí)也需要消耗較大的電流，另外為保證電容C可靠工作，其耐壓選擇應(yīng)大于2倍的電源電壓，因此應(yīng)選擇兩個(gè)684/630 V電容并聯(lián)工作。

　　2.2整流及濾波電路

　　根據(jù)文獻(xiàn)［7］，整流橋上單個(gè)二極管所承受的電壓最大值URM= √2Ui（Ui為輸入電壓的有效值）=318.4 V，因此選用常用的整流二極管lN4007（URM=l000 V，IF=1 A）。

　　為使輸出端得到平滑的負(fù)載電壓，一般取RLC≥（3~5）T/2，其中RL為負(fù)載阻抗，T為輸入信號周期（0.02 s），可得C≥24.38 uF.

　　原則上，電容值取的越大，輸出電壓越平滑，其紋波值越小。但是隨著電容容量的增大，一般其體積也隨之增大，考慮到該電路板面積，實(shí)取47 uF/160 V的電解電容。

　　2.3系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

　　因電路中需要兩組電壓，一組用于驅(qū)動三串LED，一組為集成IC提供工作電源（5 V）。VD5的穩(wěn)壓值直接與所驅(qū)動單串LED的個(gè)數(shù)有關(guān)，前文中要求驅(qū)動單串12只LED，并在此假定紅光LED正向壓降的Uf為2 V，而綠光、藍(lán)光為3.2 V進(jìn)行計(jì)算。圖l中a點(diǎn)電壓Ua為ΣU+UR，其中ΣU為38.4 V，UR為平衡電阻上的壓降。因此，穩(wěn)壓二極管VD5的穩(wěn)壓值應(yīng)大于38.4 V.考慮到電壓裕量及元件獲得的成本和方便性，VD5選用50 V/l W的高壓穩(wěn)壓二極管，VD6選用5.1 V/0.5 W穩(wěn)壓二極管。并根據(jù)文獻(xiàn)［1］選擇可限流電阻R3為62Ω/2 W，見、R5分別為4.7 kΩ和22 kΩ。

　　為使各色LED亮度一致，需要在各個(gè)LED串上串接平衡電阻，其中與藍(lán)、綠LED串接的平衡電阻R14、R12值為UR/I，（其中UR=11.6V;I為流過支路LED的電流，取為20 mA），則R=580 Ω，實(shí)取平衡電阻R14=R12=680Ω，同理取R9=1.4 kΩ。
2.4系統(tǒng)電路成本估算

　　為進(jìn)一步闡明該電路成本上的優(yōu)勢，筆者依據(jù)元件供應(yīng)商的價(jià)格報(bào)表，將電路中主要元件類型及價(jià)格列于表2.

　　表2 LED景觀燈驅(qū)動電路成本估算。

　　從表2中可見，制作整個(gè)電源所需成本約5.3元；而如果采用其他方案，僅小功率開關(guān)電源價(jià)格為7~15元。

　　3 試驗(yàn)與測試

　　以LED地埋燈（一種景觀照明燈飾）為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將上述電路焊接在單面的萬用焊接板上進(jìn)行測試。連接全部電路，36顆LED燈珠插裝焊接在直徑112 mm的圓盤燈板上，驅(qū)動電路貼底安裝在地埋燈底端，并在所有縫隙處填上環(huán)氧灌封膠（防水、防潮）。接通AC電源，各色LED串按事先設(shè)定進(jìn)行顏色的交替變化，蓋上塑料封蓋，可看到由RGB三基色合成的七彩顏色變化，基本滿足設(shè)計(jì)需求。

　　采用湖州升譜SPL2000電光源光色電綜合分析系統(tǒng)對電路的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了測試，結(jié)果如下：

　　輸入電壓UAC為220 V時(shí)，總電流為53 mA，電路實(shí)耗功率為1.4 w，功率因數(shù)為0.385.

　　為進(jìn)一步驗(yàn)證電路工作可靠性，筆者對該產(chǎn)品做了l000h的電老化試驗(yàn)，結(jié)果表明該電路能穩(wěn)定、可靠地為LED提供驅(qū)動。

　　4 結(jié)語

　　目前，半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）雖然在常規(guī)照明技術(shù)上有許多問題亟待解決，如亮度不高，散熱問題凸顯，白光壽命較低等，但在對亮度要求不高的景觀照明中已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。

　　本文設(shè)計(jì)制作了城市亮化中用于景觀照明的LED驅(qū)動電路，經(jīng)長期的電老化試驗(yàn)證實(shí)，該電路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低廉，特別適合于目前LED燈珠占據(jù)總成本較大比重的背景下的低端市場應(yīng)用。也可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整每串LED燈珠數(shù)，適用性較廣。每串LED燈珠數(shù)可以通過改變高壓穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值在一定范圍內(nèi)任意調(diào)整，也可以不用穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，而采用功率電阻代替法使LED燈串與集成電路不共地，但同時(shí)需在PCB板設(shè)計(jì)前期考慮實(shí)物電路的靈活性和可擴(kuò)展性。