基于寬范圍輸入的高效LED驅動電源的設計與研究

張立娟

（吉林電子信息職業技術學院，吉林 吉林 132000）

0 引 言

發光二極管（Light Emitting Diode，LED）出現于20世紀中期，LED發展初期發光度低且顏色單一，經不斷發展LED發光度逐漸提高，顏色也多種多樣，其將電能轉化為光能的效率更高，目前被廣泛應用于顯示器和照明。LED在低電壓下便可實現正常工作運行，輸入電壓范圍在1.0～3.0 V，當輸入電壓超出這一范圍則會損壞LED，驅動電源的重要性由此體現出來。目前，市面上常見的LED電源輸入范圍在80～265 V。為提高LED驅動電源的使用靈活性，本文設計了一款寬范圍高效LED驅動電源。

1 LED發光原理及驅動方式

1.1 LED發光原理

電子躍遷是LED發光主要原理，LED的本質為III-IV族化合物，常見化學成分為磷化鎵（GaP）和磷砷化鎵（GaAsP）。P型半導體晶片與N型半導體晶片是產生電能的重要結構，被稱為PN結，被安置于以上兩種半導體材料之間的過渡層，可實現反向截止和正通導向與發光。熱平衡條件下，N區電子大量躍遷，P區低躍遷率空穴增多，但受PN結單項限制影響，二者無法直接結合。在PN結上施加正電壓時，相對載流子本身的擴散運動大于漂移運動，從而使N區躍遷電子與P區空穴相結合，并以光能的形式將能量釋放出來，而在PN結上施加反電壓時則不會產生光能。

1.2 LED驅動方式

LED的連接可分為串聯和并聯兩種，串聯可實現LED發光亮度均勻，若其中一個LED短路，其余LED會分配更高電壓，容易損壞LED，因此針對串聯需連接恒流電源；并聯可實現LED所需電壓更低，若其中一個LED短路，整個電路均會短路，致使LED無法工作，因此針對并聯需連接恒壓驅動。但經實驗研究證明，當某一LED出現故障時，只需滿足電流正常即可實現其他LED的點亮，然而如果驅動器發生損壞，LED被大量損毀，內部引線開路，此時采取何種方式連接均無法點亮LED，可見在選擇LED連接方式時應優先考慮串聯。但是僅采用串聯需要的電壓較高，不符合經濟效益，因此可采取串聯、并聯聯合使用的方式，以提高經濟效益和LED發光效果。

2 LED電源驅動原理

高效LED驅動電源指的是將常規的電源供應轉換為特定的電壓和電流，從而驅動LED發光的電源轉換器。相比傳統光源所需電壓，LED所需要的電壓為可隨負載正電壓值變化而改變電壓的恒定輸出電流源。當高效LED驅動電源正常工作時，無論電網的電壓如何變化，驅動電源均能在80～265 V的電壓下實現正常工作。同時，將有效的保護裝置加入驅動電源電路當中，則能夠大幅度提高驅動電源的使用壽命[1-4]。作為新一代節能光源，只要將驅動電源的效率維持在90%以上，提高電源效率，就會大幅度降低LED所損耗的功率，進而顯著降低燈管內的發熱量，從而減緩了燈管溫度的升高速度。這樣不僅能夠有效延緩LED的光衰，也一定程度上解決了光管散熱難度大的問題。電網對負載的功率因數要求較高，一旦出現功率因數低的狀況，電網的電壓則會受到嚴重的影響，使得電網發生波動，從而導致其他用電器的用電質量大幅度降低。即使我國目前沒有對用電量小的電器進行強制要求，但如果這類電器均有較低的功率因數，也很有可能對電網造成不同程度的污染。本文設計的高效LED驅動電源將功率因數提高到0.9以上，不僅可將電能使用效率的問題進行有效解決，也能夠降低LED對電網造成的污染[5]。

3 LED電源驅動器設計

3.1 驅動電源系統整體架構

在驅動電源的存在下，LED在輸入電流后可借助LED驅動電源的幫助輸出穩定的直流電，并可完全滿足電磁兼容的要求。在設計控制電路的過程中，可向集中控制、標準化模塊、系統可擴展性等3個方面發展[6]。待電流正常輸入之后，首先需要經過前級保護電路對輸入電流進行有效保護，隨后電流進入EMI濾波電路，利用EMI濾波電路將輸入電流中存在的以及電源線產生的電磁污染進行有效抑制，接著電流進入全波整流濾波電路，得到較為平滑的電壓。所得電壓分為兩股：一股進入LLC諧振變換器，經轉換將得出的平穩直流電壓輸送給負載供電，隨后光電耦合器件會將PWN電壓信號傳送至控制器；另一股進入啟動電路，通過啟動電路的電壓隨后進入控制器。兩股進入控制器的電壓信號在控制器內進行比較，最后通過對器件的導通與截止進行開關，實現變壓器能量傳遞的控制。

3.2 控制電路設計

本文設計的寬范圍輸入高效LED驅動電源，采用的轉換器為MCZ5205SE LLC電流共振橋式轉換器，使其對控制器進行有效控制，以此作為驅動電源的控制芯片。MCZ5205SE控制芯片當中不僅擁有可控制臨界型PFC控制器以及附帶高耐壓門驅動器的變頻LLC橋型全波電流共振電源控制器，還具有各種保護能力[7]。MCZ5205SE與傳統的PWN控制器有所不同，前者主要利用更為簡單的開/關控制來穩定地輸出電壓。控制器則由振蕩器、時間檢測器、反饋放大器、PFC監測、信號控制電路、軟啟動與檢查電路、過電流檢測電路、輸入鎖定電路、MOS門驅動電路以及PFC過電流檢測電路等部分組成。本文所設計的高效LED驅動電源還具有智能控制能力，這一功能的存在使得無論LED的負載電流受到任何因素的影響，均可實現電流一直維持在事先設計好的水平上。這是因為在受到外界因素影響致使負載電流發生變化之后，控制器能夠通過對開關進行控制，使得負載電流能夠快速恢復至初始設定的電流值上，從而保證LED的平穩運行。

3.3 EMI濾波電路設計

EMI濾波電路的作用會伴隨著電壓、電流的作用而產生，意義在于消除EMI。其在發揮作用的過程中，利用電感元件和電容元件特性，將電流產生的信號-信號、電源-電源、信號-電源、電源-信號之間產生的EMI進行有效消除。這樣不僅能夠確保整個系統的順利運行，而且可避免釋放對人們身體健康有害地電磁干擾[8]。

光電產品抵抗浪涌的能力較為薄弱，尤其是在抵抗反向電壓和電網諧波串入的過程中。因此為實現光電產品抵抗浪涌能力的提升，本文所設計的高效LED驅動電源便通過加入EMI濾波電路來達到提升LED抵抗浪涌能力的目的。電流輸入和電網侵入均可導致出現不同種類的浪涌電流，EMI濾波電路則能對其進行有效抑制，不僅避免這些浪涌電流對人體產生影響，還可對LED加以保護，避免LED受到損害。上面提到的兩種電磁干擾一般情況下會同時存在，同時共模比差模更容易產生電磁干擾，可見EMI濾波電路在抑制共模引起的電磁干擾中發揮的作用更大。

3.4 LLC諧振變換器設計

LLC諧振變換器為LED TV的主功率拓撲之一，與其他轉換器的功能相對比，前者的功能優勢更多，但是LLC諧振變換器的設計難度較大，因此未受到廣泛的關注。輸入電源、開關網絡、諧振網絡、理想變壓器、整流橋、濾波網絡以及負載共同組成LLC諧振變換器，其對串聯、并聯諧振變換器的特點和優勢進行了整合。當負載和輸入電壓發生較大的變化時，借助LLC諧振變換器依然能夠有效調節輸出電壓的穩定性，并能夠對二極軟管開關進行有效控制[9-10]。

4 結 論

在LED備受關注的情況下，大力發展LED技術以及LED相關技術逐漸成為科技研究者的主要工作內容。本文為實現LED在寬范圍輸入的情況下依然能夠平穩運行，設計出了一種高效LED驅動電源。這種驅動電源不僅在恒流效果、電流輸出等方面具有極強優勢，而且具有體積小、生產成本低等特點。