大功率LED燈用的鎮(zhèn)流式驅(qū)動電源

李順華，沈國雄，黃 益

(1.武漢市華蘭科技有限公司， 湖北 武漢 430080；2.寧波艾克斯體電器有限公司，浙江 寧波 315175；3.寧波市燈具檢測中心，寧波遠東照明有限公司(實驗室)，浙江 慈溪 315331)

引言

LED燈是把電能直接轉(zhuǎn)換為光的半導體器件，溫度對LED燈伏安特性影響很大， 使用直流驅(qū)動時LED的發(fā)光效率最高[1]。

1 LED燈的驅(qū)動電路

1.1 開關恒流驅(qū)動電路

現(xiàn)在廣泛使用的大功率LED燈的驅(qū)動電路均為開關恒流驅(qū)動電路，其開關恒流驅(qū)動的拓撲電路就多達數(shù)萬個。它的恒流原理是通過控制脈沖變壓器的能量傳遞來實現(xiàn)穩(wěn)定LED燈的工作電流。然而，開關恒流驅(qū)動電路對于大功率LED燈來說是不是最好的驅(qū)動方式還有待商榷。對于開關恒流驅(qū)動方案本文提出三點看法：①由于溫度對LED燈伏安特性影響很大，當溫度變化很大時，用恒流來驅(qū)動的LED燈的功率也會有很大變化。②開關恒流驅(qū)動電路是將電流多次轉(zhuǎn)換而獲得的恒定電流，在轉(zhuǎn)換的過程中能量的損失很大，即開關恒流驅(qū)動電路的效率很難提高。③開關恒流驅(qū)動電路輸出的直流電流是帶有高頻分量的直流。但因為直流驅(qū)動的LED燈的發(fā)光效率最高，所以，用帶有高頻分量的直流來驅(qū)動LED燈，顯然不是最好的驅(qū)動方式。

1.2 鎮(zhèn)流式LED燈的驅(qū)動電路

鑒于開關恒流驅(qū)動電路在用于大功率LED燈時存在的上述不足，我們提出了用于大功率LED燈的鎮(zhèn)流式驅(qū)動方案，該方案的工作原理如圖1所示，它由鎮(zhèn)流電路、電壓識別電路、信號輸出電路、穩(wěn)流輸出電路、換流電路及保護電路構成。由圖1可知，電網(wǎng)工頻電流通過復合限流、換流后直接驅(qū)動LED燈，這種工作模式大大提高了鎮(zhèn)流式LED燈的驅(qū)動電路的工作效率。電壓識別電路、信號輸出電路、穩(wěn)流輸出電路是為滿足GB/T 24825—2009《LED模塊用直流或交流電子控制裝置性能要求》[3]中穩(wěn)定輸出電流的控制裝置的技術要求而設置的。由于鎮(zhèn)流式LED燈的驅(qū)動電路的主路是鎮(zhèn)流性質(zhì)的限流裝置，而LED燈伏安特性的溫度特性表現(xiàn)為負阻特性即溫度升高燈電壓下降。這里溫度升高包括兩個部分，一個是環(huán)境溫度的變化，包括地域不同、季節(jié)不同。二是燈在工作時的結(jié)溫的變化，散熱器的好壞直接影響結(jié)溫。這兩部分溫度的改變都會改變LED燈的燈電壓。而鎮(zhèn)流性質(zhì)的限流裝置具有當負載電壓(燈電壓)變化時會自動改變線路電流。即當燈電壓受溫度影響下降時增加線路電流，使燈功率不降低。當燈電壓受溫度影響上升時減小線路電流，使燈功率不上升。

圖1 鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動電源框圖Fig.1 Block diagram of LED driving power supply in town

圖2為鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動電源電路原理圖。圖中，L1為鎮(zhèn)流電路中的鎮(zhèn)流元件。IC1、IC2、IC3及其相關元件構成電壓識別電路、信號輸出電路、穩(wěn)流輸出電路。D1—D4為換流電路。IC4及其相關元件構成短路保護電路。開路保護電路則主要由Q4、U1、DZC構成。

圖2 鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動電源電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of the circuit of the LED driving power supply

2 實驗結(jié)果

2.1 使用鎮(zhèn)流方式驅(qū)動的燈在燈電壓受溫度影響的情況下電流與電壓關系

圖3是由實驗數(shù)據(jù)構成的1W 350mA的燈使用鎮(zhèn)流方式驅(qū)動的燈電流-電壓關系的趨勢圖， 圖中x軸為燈電壓(受溫度影響而產(chǎn)生的變量)，正值表示燈電壓上升，負值表示燈電壓下降。圖中僅用正1V和負1V來代表變化趨勢及規(guī)律。y軸為燈電壓(燈受溫度影響而改變時用鎮(zhèn)流方式驅(qū)動的燈對燈電流進行調(diào)控的變化值)。正值表示燈電流增加，負值表示燈電流減小。圖中僅用正10mA和負10mA來代表變化趨勢及規(guī)律。o點表示燈的工作點，如圖6中的181.8V(燈電壓)和0.655A(燈電流)，當燈電壓上升0.1V即181.9V時，燈電流會減小1mA即0.654A，燈電壓下降0.1V即181.7V時，燈電流會增加1mA即0.656A。其變化規(guī)律近似線性。圖4示出了700mA的燈使用鎮(zhèn)流方式驅(qū)動的燈電流-電壓關系的趨勢圖。對于圖4的變化規(guī)律曲線為什么不同于圖3還待進一步研究。

圖3 電流-電壓關系圖(1)Fig.3 I-V relationship(1)

圖4 電流-電壓關系圖(2)Fig.4 I-V relationship(2)

2.2 使用鎮(zhèn)流方式驅(qū)動的燈的性能測試

圖5和圖6的測試數(shù)據(jù)顯示，在LED綜合性能測試儀的測試范圍內(nèi)，用鎮(zhèn)流式LED燈的驅(qū)動電路驅(qū)動的120WLED燈的所有技術指標均符合相關規(guī)定。其中諧波的含量完全滿足GB 17625.1—2012[4]中相應的諧波規(guī)定要求。95.3%的效率則遠高于CQC 3146—2014《LED模塊用交流電子控制裝置節(jié)能認證技術規(guī)范》[2]中非隔離式 92%、隔離式 90%的節(jié)能評價值的認證標準。以及GB/T 24825—2009《LED模塊用直流或交流電子控制裝置性能要求》[3]中規(guī)定的最高能效等級。

圖5 LED綜合性能測試儀輸入特性測試報告Fig.5 Testing report of the input characteriatics of LED comprehensive performance

圖6 LED綜合性能測試儀綜合特性測試報告Fig.6 Comprehensive performance test report of LED

3 結(jié)論

通過分析和測試顯示，采用鎮(zhèn)流方式驅(qū)動大功率LED燈同采用開關型恒流源驅(qū)動方式驅(qū)動的大功率LED燈相比，其主要優(yōu)點有：1)鎮(zhèn)流驅(qū)動方式的效率遠遠高于開關型恒流驅(qū)動方式。2)當燈電壓受溫度影響而改變時，鎮(zhèn)流驅(qū)動方式能保持燈功率穩(wěn)定。鎮(zhèn)流驅(qū)動的優(yōu)點證明了，目前廣泛使用的用開關型恒流源來驅(qū)動大功率LED燈的方式不是最好的驅(qū)動方式。這也說明本文提出的用鎮(zhèn)流方式驅(qū)動大功率LED燈的新方案，對LED新型光源的推廣應用將會產(chǎn)生積極的影響。

[1] 孫明坤，等.LED光電模型及其應用.電源技術學報，2009，3(1)：15-19.

[2] LED模塊用交流電子控制裝置節(jié)能認證技術規(guī)范:CQC 3146—2014.

[3] LED模塊用直流或交流電子控制裝置性能要求:GB/T 24825—2009[S].

[4] 電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值(設備每相輸入電流≤16A):GB 17625.1—2012[S].