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[導(dǎo)讀]大功率LED燈有很多優(yōu)點(diǎn),而LED驅(qū)動(dòng)電路對(duì)LED非常重要,LED驅(qū)動(dòng)和調(diào)光是目前研究的熱點(diǎn)。針對(duì)目前LED驅(qū)動(dòng)電路的不足,設(shè)計(jì)了一種新穎的LED驅(qū)動(dòng)電路,該電路以單端反激式開關(guān)電源為控制的第一級(jí),壓控制恒流源為第二級(jí),可同時(shí)保證控制精度和效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電路效率高、功率大,同時(shí)電路還能自適應(yīng)調(diào)光,更加節(jié)能可靠。

1 引言

LED被公認(rèn)為是綠色的第四代光源,是一種固體冷光源,具有高效、壽命長(zhǎng)、安全環(huán)保、體積小、高可靠性、響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前達(dá)到同樣的照明效果,LED的耗電量大約是白熾燈的1/10,熒光燈的1/2 .很多國(guó)家和地區(qū)相繼出臺(tái)各種政策扶持LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,以期該產(chǎn)業(yè)能夠成為國(guó)家重要產(chǎn)業(yè)的重要組成部分,孕育著巨大的商機(jī)。LED驅(qū)動(dòng)電路對(duì)LED來說至關(guān)重要,而LED調(diào)光控制可以節(jié)能,高亮度白光LED的驅(qū)動(dòng)和調(diào)光是近年來研究的熱點(diǎn)。本文在這方面進(jìn)行了研究,針對(duì)現(xiàn)有電路的不足,設(shè)計(jì)了一款新穎的帶有調(diào)光功能的LED燈驅(qū)動(dòng)電路。

2 LED的特性

LED的理論光效為300 lm/W.目前實(shí)驗(yàn)室水平達(dá)260 lm/W,市場(chǎng)化水平在120 lm/W以上。高亮度LED的一般導(dǎo)通電壓約為3.0~4.3V,其核心是PN結(jié),其伏安特性與普通二極管相同。其電流電壓關(guān)系如式(1):

 

 

式中,VF為二極管正向電壓,I0是反向飽和電流,為定值,q為電子電荷1.6×1019,k為波爾茲曼常數(shù),大小為1.38×10-23,T是熱力學(xué)溫度,常數(shù)β近似取2.當(dāng)加在LED上的電壓小于其導(dǎo)通電壓時(shí),LED上幾乎沒有電流通過。但當(dāng)LED導(dǎo)通后,其正向電流隨正向電壓按指數(shù)規(guī)律變化,很小的電壓波動(dòng)就會(huì)引起很大的電流變化。在導(dǎo)通區(qū)電壓從額定值的80%上升到100%時(shí),電流則從其額定值的0%上升到100%.

圖1為某種LED相對(duì)光通量和其正向電流IF的關(guān)系,其他種類的大功率LED光通量與正向電流的關(guān)系與此雖有差異,但是差別非常小。圖中可以看出,當(dāng)白光LED正向電流大于某一值時(shí)白光LED才能有效地發(fā)光,LED的光通量和其正向電流成正比的關(guān)系,因此可以通過控制LED的正向電流來控制其發(fā)光亮度。LED若采用恒壓源驅(qū)動(dòng),很小的電壓變化將引起很大的電流變化,因此恒壓驅(qū)動(dòng)只適用于要求不高的小功率場(chǎng)合下,在要求高的場(chǎng)合和大功率場(chǎng)合下LED都要采用恒流驅(qū)動(dòng)。

研究表明,LED發(fā)光亮度隨工作時(shí)間下降,亮度下降后光效隨電流的增加而減少,LED的亮度與驅(qū)動(dòng)電流成飽和關(guān)系。LED的電流達(dá)到其額定電流的70%~80%后,很大比例的電流轉(zhuǎn)化成了熱能,因此LED的驅(qū)動(dòng)電流宜為工作電流額定電流的70%~80%.

 

3 LED驅(qū)動(dòng)電路分類

3.1 電荷泵電路

電荷泵電路也是一種DC/DC變換電路。電荷泵電路利用電容對(duì)電荷的累積效應(yīng)儲(chǔ)存電能,把電容作用能量耦合元件,通過控制電力電子器件進(jìn)行高頻的開關(guān)切換,在一個(gè)周期一部分時(shí)間內(nèi)讓電容儲(chǔ)能,在剩余時(shí)間內(nèi)電容釋放能量。這種電路是通過電容的充電和放電時(shí)的不同連接方式得到不同的輸出電壓,整個(gè)電路不需任何電感。

電荷泵電路相對(duì)來說體積較小,采用的元件較少,成本較低,但其所用的開關(guān)元件相對(duì)較多,輸入電壓一定的情況下,輸出電壓變化的范圍比較小,輸出電壓大都為輸入電壓的1/3~3倍,且電路功率較小,效率會(huì)隨輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系變化。多個(gè)LED時(shí)必須并聯(lián)驅(qū)動(dòng),為防止支路電流分布不均,必須采用鎮(zhèn)流電阻,這會(huì)使得系統(tǒng)效率大為降低。因此,電荷泵式驅(qū)動(dòng)電路在大功率LED的照明驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中受到了限制,其多在小功率情況下使用。

3.2 開關(guān)電源電路

開關(guān)電源電路是一種依靠改變開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷的時(shí)間比來改變輸出電壓大小的DC/DC變換電路。從電路上看,和電荷泵電路相比它包含磁性元件,即電感或高頻變壓器。開關(guān)電源分為輸入輸出無(wú)隔離即“直通”型和輸入輸出隔離型兩種類型的DC/DC變換器。

“直通”型DC/DC變換器的典型電路有Buck型、Boost型、Buck-Boost式和Cuk型等幾種類型。

輸入與輸出有隔離型的DC/DC變換器的典型電路有單端正激式、單端反激式、推挽式、半橋式和全橋式等幾種類型。開關(guān)電源電路相對(duì)來說可實(shí)現(xiàn)大范圍的電壓輸出,且輸出電壓連續(xù)可調(diào),輸出功率大,因此適用范圍更廣,特別在中大功率場(chǎng)合下是首選。

3.3 線性電路

線性控制電路是把工作在線性區(qū)域的半導(dǎo)體功率器件看作動(dòng)態(tài)電阻,通過對(duì)其控制級(jí)控制來實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)。線性控制電路的缺點(diǎn)在于效率比較低,但其對(duì)輸入電壓和負(fù)載的變化有較快的響應(yīng),電路相對(duì)較簡(jiǎn)單,直接控制LED的電流,易于實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的較高精度的控制。[!--empirenews.page--]

4 新穎的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

開關(guān)電源反饋控制的實(shí)際是輸出電壓,對(duì)輸出電流控制不太容易做到精確,且單純開關(guān)電源控制有偏差時(shí)易損壞LED燈;線性電路效率不高。

基于以上原因,本文設(shè)計(jì)了一新穎的LED驅(qū)動(dòng)電路,該電路以單端反激式開關(guān)電源作為前級(jí)控制,線性的壓控制恒流源作為控制的后級(jí)。市電經(jīng)單端反激式電源變換后可得到直流電壓輸出,該輸出作為后級(jí)的壓控制恒流源的輸入。由于壓控制恒流源的輸入電壓是由高效率的單反激式開關(guān)電源供電,壓控制恒流源精確控制LED的同時(shí)可在較大范圍改變其恒流源的輸入電壓,故效率和精度都有保證,且可由市電供電。同時(shí),兩級(jí)控制不易損壞LED燈。

系統(tǒng)電路如圖2所示。圖中變壓器T1、開關(guān)管Q1、二極管D1和電容C1構(gòu)成單端反激式開關(guān)電源;運(yùn)算放大器U1、U2和功率管Q2等器件構(gòu)成壓控制恒流源;單片機(jī)STC89C51為核心控制器件?;叶戎底兓瘯r(shí),單片機(jī)根據(jù)其得到的灰度值產(chǎn)生一相應(yīng)的亮度控制電壓。亮度控制電壓加在U1的同相輸入端,U1的反向輸入端是經(jīng)U2得到的LED的電流信號(hào),R12為電流檢測(cè)電阻。U1的輸出電壓即為MOS管Q2的控制電壓,由運(yùn)算放大器虛短概念知,U1的反向輸入電壓要等于其正向輸入端上的電壓,也就是穩(wěn)定時(shí)R12上的電流受亮度控制電壓的控制,而不隨負(fù)載的變化而變化。單片機(jī)根據(jù)其得到的灰度值產(chǎn)生一相應(yīng)的亮度控制電壓的同時(shí)還產(chǎn)生一PWM信號(hào),該P(yáng)WM信號(hào)與 TL431上的信號(hào)相遇后去控制Q1的開關(guān),然后單片機(jī)根據(jù)得到的LED電流信號(hào),改變PWM信號(hào)的占空比,改變開關(guān)電源的輸出電壓,也即改變恒流源的輸入電壓使功率管Q2上的電壓減少,使其在輸出電流不變的情況下工作在可調(diào)電阻區(qū)或接近于可調(diào)電阻區(qū),以提高效率。TL431是三端可調(diào)分流基準(zhǔn),在這里TL431及其相應(yīng)電相的存在是為了限制開關(guān)電源的最高輸出電壓,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性。

光線相對(duì)較好時(shí),單片機(jī)根據(jù)得到的灰度值,控制其輸出的亮度控制電壓,使恒流源的輸出電流相對(duì)較小,可達(dá)到節(jié)能效果。圖2中單片機(jī)輸出的亮度控制電壓要經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換才能供給恒流源,圖2未畫出D/A部分。

 

 

5 總結(jié)

驅(qū)動(dòng)電路采用開關(guān)電源作為控制的第一級(jí),壓控制恒流源作為控制的第二極,結(jié)合了二者優(yōu)點(diǎn),效率和控制精度上都有保證,且可由市電直接供電,兩級(jí)驅(qū)動(dòng),安全性高,不易損壞價(jià)格較高的LED燈。實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)效率可達(dá)83%以上,功率和單端反激式開關(guān)電源相同,很值得推廣。

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