基于SA7527 的LED照明驅(qū)動電源的研制

LED 具有高效、長壽命、低功耗、安全等優(yōu)點,已被廣泛應(yīng)用于城市景觀裝飾、交通車站和商業(yè)廣告等公眾設(shè)施. 近年來,隨著單晶單管L ED 的輸出功率、發(fā)光效率以及高功率封裝技術(shù)的不斷發(fā)展,使LED 作為一般照明具有廣泛的應(yīng)用前景.

然而,LED 的輸出光流明數(shù)和波長同PN 結(jié)的溫度以及電流密切相關(guān). 常規(guī)的驅(qū)動電路,如電容降壓電路和開關(guān)穩(wěn)壓電路,將引起LED 的提前老化,不能有效滿足LED 照明驅(qū)動的要求. 因此,本文從分析L ED 燈珠的驅(qū)動特性出發(fā),結(jié)合LED 的驅(qū)動特性提出一種自適應(yīng)照明驅(qū)動電路. 針對100 顆規(guī)格為Φ10的高亮白光LED 陣列(功率約為25 W) 進行了具體設(shè)計. 實驗測試結(jié)果證明該驅(qū)動電路性能良好.

1 　LED 驅(qū)動特性

LED 作為半導(dǎo)體冷光光源,它同白熾燈、鹵素?zé)簟⒐療艟哂忻黠@不同的驅(qū)動特性.

1. 1 　電參數(shù)特性

電流- 電壓特性是LED 的基本物理特性,它同一般PN 結(jié)類似,具有死區(qū)電壓. 當(dāng)輸出電壓超過死區(qū)電壓后,隨著電流的增加,PN 結(jié)電壓變動不大. PN結(jié)標稱工作電流的大小取決于L ED 規(guī)格,如<5 - 高亮白光LED ,標稱值為20 mA ,<10 標稱值為80 mA ,而1 W的L ED 標稱值電流為360 mA. 另外,PN 結(jié)的壓降大小除了與PN 結(jié)電流和溫度有關(guān)外,它還取決于制造材料特性. 比如:當(dāng)PN 結(jié)溫度為25o ,電流為20 mA 時,<5 - 高亮白光PN 結(jié)電壓約3. 1 V ,而<5 -高亮黃光LED 的PN 結(jié)電壓約2 V.

1. 2 　光學(xué)特性

電流- 光通量特性是L ED 作為照明設(shè)計的重要指標. L ED 輸出光通量的大小同PN 結(jié)的電流大小有關(guān),在規(guī)定電流范圍,輸出光通量同電流成正相關(guān). 不同的制造封裝廠家生產(chǎn)的相同規(guī)格的L ED ,它們的電流- 光通量具有較大的區(qū)別. 在20 mA 條件下對幾個不同廠家封裝的子彈頭<5 - 高亮白光L ED 樣品的光通量進行測試,發(fā)現(xiàn)其光通量分別為4 lm、3. 54 lm、3 lm、2. 5 lm ,有較大差別(說明:本測試數(shù)據(jù)以廠家提供的樣品為測試對象) ;另外,在電流不變的情況下,隨著工作時間的增加,光通量均有所降低.

1. 3 　溫度特性

光譜特性是L ED 光源顯色指數(shù)和色溫的重要依據(jù). 實驗測試發(fā)現(xiàn),在PN 結(jié)電流不變條件下,隨著PN 結(jié)溫度的升高,L ED 光源發(fā)出的波長將向長波方向移動.

根據(jù)L ED 驅(qū)動特性的分析可見:

(1) 不同的L ED 所需的工作電壓、驅(qū)動電流不同;

(2) 驅(qū)動電流不變的情況下,隨著工作時間的增加,光通量有所降低;

(3) 驅(qū)動電流不變的情況下,隨著溫度的升高光通量降低. 而L ED 作為一般照明必須保證其輸出光強對時間和溫度具有相對穩(wěn)定性. 因此,必須設(shè)計具有自適應(yīng)功能的L ED 驅(qū)動電路,以提供適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷?、?qū)動電流,并使其對工作溫度等外部條件變化引起的出光特性變化作出自適應(yīng)調(diào)整,以達到最佳的照明效果.

2 　具體LED 驅(qū)動電路設(shè)計

結(jié)合L ED 驅(qū)動特性,以功率約為25 W 的辦公室照明燈組驅(qū)動電源的設(shè)計為實例. 其中,使用100顆Φ10 - L ED ,采用L ED 陣列聯(lián)接形式,即: 20 顆燈珠串聯(lián),然后5 串并聯(lián).

針對以上設(shè)計對象特性,本文提出了基于開關(guān)電源的L ED 自適應(yīng)驅(qū)動方案. 其總體框圖如圖1 所示.

市電(50 Hz ,90 V～264 V) 經(jīng)過50 Hz 整流后,送入由高頻變壓器初級繞組和開關(guān)管組成的主回路,經(jīng)高頻變壓、整流得到所需的輸出. 利用sa7527 可以設(shè)計出周邊電路簡潔、低浪涌電流、高功率因素、低成本的L ED 驅(qū)動電源. 該電源主要包括以下幾個特性: (1) 寬電壓輸入范圍; (2) 恒流/恒壓特性; (3) 自動光衰補償功能.

2. 1 　sa7527 主控芯片

該結(jié)構(gòu)的主控制芯片采用8 腳封裝的sa7527[5 ] . sa7527 是一塊功能強大的芯片,它除了通用的PWM 控制芯片的功能外,還提供了內(nèi)置R/ C濾波器、啟動定時器、過電壓保護、零電流檢測、乘法器、內(nèi)部帶隙基準以及特殊防擊穿電路等功能,內(nèi)部框圖如圖2.

2. 2 　高頻變壓器設(shè)計

根據(jù)開關(guān)電源高頻變壓器的基本理論:輸出功率25 W ,開關(guān)頻率取30 kHz 時,選定變壓器磁心為EI25 磁心. 這種結(jié)構(gòu)的磁心與環(huán)形磁心相比具有線圈繞制方便、分布參數(shù)影響小、磁心窗口利用率高、散熱性好、系統(tǒng)絕緣可靠等優(yōu)點;考慮到線包損耗與溫升,把電流密度定為4 A/ mm2 ,那么初級和次級用<0. 41 線徑的漆包線繞制,反饋用<0. 19 漆包線;計算輸入/ 輸出電壓比例關(guān)系確定初/ 次級匝數(shù)比為:120 匝:40 匝,另外再加8 匝sa7527 反饋繞組.

為了減小分布參數(shù)的影響,初級采用雙線并繞連接的結(jié)構(gòu),次級采用分段繞制,串聯(lián)相接的方式. 在變壓器的絕緣方面,線圈絕緣選用抗電強度高、介質(zhì)損耗低的復(fù)合纖維絕緣紙.

2. 3 　功能單元設(shè)計

2. 3. 1 寬電壓輸入

把輸入整流高壓取樣信號與輸出的檢測電壓分別輸入sa7527 乘積運算的兩輸入端3 腳和2 腳(MUL 端子和SO 端子) ,運算結(jié)果作為PWM的控制信號;當(dāng)輸入電壓降低時,乘積運算的結(jié)果減小,使PWM 脈寬輸出增大,保證了在寬輸入范圍條件下輸出的穩(wěn)定.

由于sa7527 乘法器MUL 端子的電壓輸入范圍為0～3. 8 V ,為了保證輸入電壓的寬范圍,我們設(shè)正常工作電壓2 V (近似中間值) . 因此,高壓分壓電阻比為:

(270 V 近似為正常220 V交流輸入的全波整流濾波后的電壓值) ,由于MUL端的輸入電流最大為5μA ,若該取樣電路的功率為1/ 8 W ,那么R5 + R1E900 kΩ. 故本設(shè)計取R1 = 2. 7MΩ , R5 = 27 kΩ.[!--empirenews.page--]

2. 3. 2 　恒流/ 恒壓功能

利用輸出端的電流取樣和電壓取樣信號,通過光電耦合器件反饋到sa7527 的反向控制輸入端1 腳( INV 端子) . 當(dāng)輸出電流的取樣電阻壓降超過0. 7 V時,流過光耦的電流主要受開關(guān)電源輸出電流大小控制,此時開關(guān)電源工作在恒流輸出狀態(tài);否則為恒壓輸出狀態(tài),并且輸出電壓大小取決于精密三端穩(wěn)壓TL431 穩(wěn)壓大小. 這樣的自動恒流/ 恒壓特性有利地保護了LED 出現(xiàn)開路以及短路時可能導(dǎo)致的連鎖性破壞.

反饋信號隔離器選用光電耦合器PC817 ,它的電流傳輸比為1 :1 ,工作電壓V CE > 1 V ,正向工作電流IF > 1 mA. 由于INV 端子正常工作電壓為2. 5V ,若取電流/ 電壓轉(zhuǎn)換電阻R10 = 1 kΩ ,則光耦的前向工作的電流IF = 2. 5 mA.

因此,由三極管Q3 、電流取樣電阻R18 和光耦PC817 組成恒流反饋環(huán)節(jié). 當(dāng)輸出電流變化時,取樣電阻R18的壓降引起Q3 基極電壓的改變,使得通過光耦PC817 的電流發(fā)生改變,從而達到穩(wěn)流的目的. 恒壓輸出大小由TL431 精密穩(wěn)壓源確定. 該穩(wěn)壓器的基準電壓為2. 5 V ,并且工作電流IRCE1 mA ,那么開關(guān)電源恒壓輸出時電壓為:

根據(jù)輸出恒壓的大小以及電阻的功率我們可以確定R17 , R19的取值.

2. 3. 3 　自動光衰補償功能

由于PN 結(jié)溫度升高以及工作時間的增加將引起輸出光通量減低,而驅(qū)動電流適當(dāng)增大則可提高輸出光通量 . 因此,為保持輸出光強穩(wěn)定性,利用光敏電阻RW和溫敏電阻RT 實現(xiàn)光衰的自動補償. 當(dāng)RT 檢測到L ED 工作溫度升高時,MUL 端子對地的等效電阻降低,MUL 端子輸入信號變小,使得輸出電流大小隨溫度的升高而有所上升,有效地補償了溫度升高后L ED 光通量減低的矛盾. 另外,PN 結(jié)溫度升高將引起PN 結(jié)壓降的升高,驅(qū)動電源可能過早的從恒流轉(zhuǎn)入恒壓工作的情況,從而影響L ED 光通量的穩(wěn)定性. 為此,在輸出端子引入恒壓輸出電壓補償端子,當(dāng)溫度升高時,適當(dāng)提高恒壓啟動的轉(zhuǎn)折點電壓,從而可靠的實現(xiàn)恒流/ 恒壓功能.

3 　應(yīng)用實例

我們使用100 顆明學(xué)Φ10 - L ED ,采用的陣列形式聯(lián)接,并均勻的鑲嵌在600 mm ×600 mm 的鋁塑天花板上,如圖4 所示. 對開發(fā)的25 W 辦公照明驅(qū)動電路進行實際測試(具體電路參數(shù)如圖3) ,輸出功率為約25W ,工作電壓約為63 V ,驅(qū)動電流約為400 mA. 在標準負載條件下,功率因素為0. 92 ,效率為87. 5 %,電壓輸入范圍達82～290 V ,自動恒流精度±0. 4 mA ,過電壓自動轉(zhuǎn)入恒壓功能,隨著溫敏電阻阻值的變化,恒流輸出電流值發(fā)生相應(yīng)的改變,最大變化幅度為8 mA.

在實際運行時,電源輸出的恒流大小設(shè)定為單顆L ED 電流72 mA (標稱值( 80 mA) 90 %) , 當(dāng)L ED 結(jié)溫升高引起光強度降低時,有利于加大恒流輸出電流大小對光衰進行補償. 實際測試表明中心光強為346lx (lx :勒克斯) ,并且隨著L ED 溫度的升高中心光強衰減低于3 %.

4 　結(jié)語

從LED 的光電參數(shù)特性出發(fā),提出了一種基于sa7527 開關(guān)電源結(jié)構(gòu)的LED 驅(qū)動電路. 該驅(qū)動電路克服了常規(guī)L ED 驅(qū)動電路的缺陷,對L ED 溫度升高引起的光衰進行了自動補償. 實際試驗表明,該驅(qū)動電路高效、安全、可靠,可廣泛用于各種L ED 產(chǎn)品的照明驅(qū)動.