新型高效LED驅(qū)動電源

毛書凡，陳壯，韓旭

（天津理工大學工程訓練中心，天津 300384）

近年來LED照明的普及以其節(jié)能環(huán)保、安全可靠、壽命長等優(yōu)點發(fā)展迅速，正在逐步替代傳統(tǒng)光源而成為市場上的主導產(chǎn)品。驅(qū)動電源是LED燈的重要組成部分，如今LED的電光轉(zhuǎn)換技術(shù)取得了很大的進步，電能消耗僅為白熾燈的1/8，雖然LED照明產(chǎn)品具有使用壽命長的特點，但是LED驅(qū)動電源具有效率低、壽命短的缺陷，一直是困擾技術(shù)研發(fā)人員的難題。目前大部分的小功率可調(diào)直流電源模塊仍依賴于國外降壓穩(wěn)壓器芯片[1]。

針對無電解電容LED驅(qū)動電源輸入輸出功率的不平衡，國內(nèi)外學者提出的驅(qū)動方案主要包括以下3種：諧波調(diào)制法；脈動電流驅(qū)動LED法；增加輔助儲能元件法[2]。

因電源中的主要關(guān)鍵器件電解電容在溫度75℃時，電容量會因為電解液蒸發(fā)而造成使用壽命下降，只為半導體器件持續(xù)工作平均壽命的1/5，使得整個LED驅(qū)動系統(tǒng)的工作周期受到嚴重影響[3]。故驅(qū)動電源內(nèi)部的電路器件限制了LED的能效和壽命，消除電解電容是使LED照明系統(tǒng)與發(fā)光二極管壽命相匹配的關(guān)鍵[4]。市場中LED照明均采用恒流驅(qū)動和阻容降壓2種電路，其中恒流驅(qū)動依據(jù)所選的開關(guān)功率器件又分為線性恒流和開關(guān)恒流。調(diào)光電路或無或復雜，而阻容式降壓雖具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點，但功率因數(shù)偏低，在驅(qū)動較高功率LED燈具時尤為明顯，滿足不了LED照明市場的需求。

本文提出的新型高效LED照明燈驅(qū)動電源具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、體積小、功率因數(shù)高、電能轉(zhuǎn)換效率高、壽命長等優(yōu)點，摒棄了損耗占比較多的變壓器和電感器件，是替代現(xiàn)有恒流驅(qū)動電源和阻容式驅(qū)動的一種技術(shù)方案。文章詳細分析該驅(qū)動電路的工作原理，并通過樣機測試驗證了該方案的正確性。

1 電路設(shè)計基礎(chǔ)

1.1 電容的降壓及穩(wěn)壓

電容在一定頻率的交流信號下會產(chǎn)生容抗，基于這一特性可以限制電路的最大工作電流，這也就是電容降壓的工作原理。如果視降壓電容為一個理想電容，那么流過的無功電流不消耗任何有功，所產(chǎn)生的功耗完全取決于這個與電容串聯(lián)的阻性元件[5]。根據(jù)負載的電流大小和交流電的工作頻率可以選取適當?shù)碾娙荩饶軐崿F(xiàn)電容器限流，又可以動態(tài)分配電容器容量，起到控制調(diào)節(jié)負載兩端電壓的作用[6]。

電容穩(wěn)壓電路是利用電容的充放電作用，使輸出電壓趨于平滑，理想情況下的波形如圖1所示，經(jīng)過電容穩(wěn)壓電路之后實際的輸出波形如圖2所示。

圖1 理想情況下的波形Fig.1 Ideal waveform

圖2 經(jīng)過電容穩(wěn)壓電路之后實際的輸出波形Fig.2 Actual output waveform after capacitor voltage stabilizing circuit

為了獲得較好的濾波效果，在實際電路中，選擇的濾波電容容量滿足下式：

式中：RL為負載電阻；C為濾波電容；RLC為放電回路的時間常數(shù)；T為周期。

放電回路的時間常數(shù)越大，其濾波效果越好，其整流后輸出的直流電波形越平滑[7]。當電源電壓高于負載（電容）兩端電壓時，電源向電容充電，使負載兩端電壓保持不變；當電源電壓低于負載兩端電壓時，電容向負載放電；最終使負載兩端電壓保持穩(wěn)定。

1.2 線性輸出

圖3為電路線性穩(wěn)壓原理圖。

圖3 電路線性穩(wěn)壓原理圖Fig.3 Schematic diagram of circuit linear voltage stabilizing

圖3電路中，開關(guān)管控制驅(qū)動電路由輸出電路、采樣回路和開關(guān)控制模塊組成，也是此驅(qū)動電源電路的核心部分。220 V交流電經(jīng)整流電路后，形成脈動直流電，由C1和C2串聯(lián)對負載進行分配供電。當交流電壓低于等于額定啟動負載輸出直流電壓時，控制開關(guān)電路提供驅(qū)動電壓Vi，適配的C1端電壓將直接供給負載至額定輸出。當輸入交流電壓高于額定輸出直流電壓時，經(jīng)采樣回路控制開關(guān)電路，使工作阻抗高于C2容抗，實現(xiàn)C1和C2串聯(lián)并降低負載電壓額定輸出，以此反復采樣的查詢工作，實現(xiàn)負載電壓的線性穩(wěn)定輸出，參考下2式：

式中：XC為容抗；U1為C1端電壓；U為整流電路輸出電壓；C1為負載電容；C2為可調(diào)節(jié)電容。

該線性穩(wěn)壓電源采用電容器件，不僅具有穩(wěn)壓功能，而且具有濾波的特點，因此輸出性較理想，不會對電網(wǎng)產(chǎn)生影響。

2 電路分析

2.1 電路組成及功能

該電路主要包含3個功能電路，如圖4所示。

圖4 電路原理框圖Fig.4 Circuit schematic frame diagram

濾波降壓整流模塊：采用電阻、無極性電容和整流器組成的降壓整流電路，依據(jù)負載需求選擇合適壓降進行初次降壓，再經(jīng)過整流，使得220 V交流電轉(zhuǎn)換成脈動的直流電。關(guān)于整流橋的選擇，整流二極管的最大電壓應力等于電路輸入電壓的最大值[8]，參考下式：

式中：Udmax為整流二極管的最大電壓；Uin為電路輸入電壓。

該模塊電路可以將降壓整流后輸出電壓中干擾的波紋大部分濾除。

2）分流采樣控制模塊：此部分也是該電源設(shè)計的重點，通過對輸出電壓的采樣，來控制開關(guān)管對電容的充放電，從而穩(wěn)定輸出電壓。

3）穩(wěn)壓線性輸出模塊：根據(jù)穩(wěn)壓管在一定的范圍內(nèi)，電壓幾乎不隨電流的變化而變化這一特點，調(diào)節(jié)與穩(wěn)壓管串聯(lián)的CMOS管來控制開關(guān)管[9]，從而控制電容充放電，其頻率的變化改變了串聯(lián)容抗值，進而實現(xiàn)了對電容壓降的控制。

2.2 電路結(jié)構(gòu)分析

依據(jù)圖4，對電路工作的流程加以分析。

市電220 V/50 Hz接入電路后，經(jīng)由濾波電容、限流電阻和降壓電容器組成濾波降壓電路，由交換電路中的整流橋整流成脈動直流電，交換電路分流后，一部分經(jīng)穩(wěn)壓電路中的隔離二極管、充電二極管和第2只限流電阻對第1只電容器和第2只電容器進行串聯(lián)充電；另一部分流經(jīng)分流電路，當交流輸入電壓低于輸出直流電壓時，分流電路中的電容對外電路進行放電，這時采樣限流模塊導通，通過對穩(wěn)壓電路的分流降低了輸出電壓，從而降低了由于外界電壓變化而對輸出電壓帶來的影響。其特性表現(xiàn)為：利用其線性跟隨特性，使輸出電流隨輸入信號的變化而線性緩慢變化；當交流輸入電壓高于輸出直流電壓時，分流電路中的電容隨即對穩(wěn)壓電路中的電容進行充電，負載輸出電壓便得到了有效的補償，從而穩(wěn)定了輸出電壓。

在電路設(shè)計中，由于未使用變壓器、電解電容等元器件，所以該LED驅(qū)動電源電路，在能耗、可靠性方面均顯現(xiàn)出其獨特的設(shè)計優(yōu)勢。

2.3 電路原理分析

本節(jié)對本文提出的新型高效LED照明燈驅(qū)動電源的電路原理進行分析。

圖5為電路原理圖。

圖5 電路原理圖Fig.5 Circuit schematic diagram

2.3.1 降壓與限流

如圖5所示，電容C2的作用為降壓與限流。利用電容通交流、隔直流的特性，在適配LED的功率時，可參考流過降壓電路電流的計算公式：I=U/XC。在220 V/50 Hz交流電路中，電流與電容關(guān)系近似為：I≈69C。與C2并聯(lián)的電阻R4為泄放電阻，電容大小關(guān)系到泄放電阻值，電容的容量越大，殘存電荷量就越大，泄放電阻的阻值相對減小，二者參考數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同降壓電容所對應的泄放電阻值Tab.1 Discharge resistance corresponding to different step-down capacitors

2.3.2 線性穩(wěn)壓

如圖5所示，當市電電壓瞬時變化并造成輸出的直流電壓低于設(shè)計值時，此時整流橋輸出端電壓減小，隔離二極管D3的負極電壓為正，驅(qū)動光耦二極管導通，根據(jù)其導通的強度，可以控制光耦輸出端Q1電流的大小，進而控制開關(guān)管Q2導電溝道的寬度，從而線性控制電容C4通過放電二極管D1和限流電阻對電容C1充電；當隔離二極管D3電壓低于光耦二極管驅(qū)動電壓值時，其控制的光耦輸出端Q1無法提供開關(guān)管Q2的開啟電壓，Q2關(guān)閉，電容C1兩端電壓為負載輸出電壓；基于光耦電路對開關(guān)管Q2開啟寬度的線性變化及降壓電容器產(chǎn)生的容抗限制了流過負載LED燈組的電流，進而實現(xiàn)了在輸入交流電壓變化的特定區(qū)間，電壓的變化與輸出功率呈線性關(guān)系。

利用該設(shè)計電路對輸出端電流的線性控制，對輸出端提供了有效穩(wěn)定的電壓。此外，光耦輸出端Q1的電流通過電阻R6，并在穩(wěn)壓管D5作用下保持穩(wěn)定壓降，可精確控制Q2導電溝道的寬度，降低電流在電路中的損耗。因市電輸入電壓增高，造成輸出直流電壓高于設(shè)計值時，整流橋輸出端電壓增大，隔離二極管D3的負極電壓為負。此時電容C1通過限流二極管D2，經(jīng)D1放電，形成通路；而串聯(lián)的電容C1，C4，通過限流二極管D2、隔離二極管D3同時分流組成另一通路，并對電容C4、電容C5充電儲能，穩(wěn)壓管D5獲得反向壓降，以此來保護開關(guān)管Q2的控制電壓不超過導通電壓。基于電路中循環(huán)工作的電流，被充分利用的創(chuàng)新模式，使電能的利用率得以提高。

2.3.3 能量存儲與釋放

如圖 5所示，電容C4、電阻R6、電容 C5和穩(wěn)壓管D5組成電路的主要功能如下：1）當外界電壓瞬時降低時，一方面，電容C4通過二極管D1、電阻R1為電容C1充電；另一方面，電容C4釋放電流經(jīng)R6通過對光耦Q1的控制，提高Q2開關(guān)寬度。根據(jù)電容C4釋放電流的正弦變化規(guī)律，電容C4兩端電壓的增長速率將逐漸減緩直至停止。2）當外界電壓瞬時升高時，整流橋輸出端對串聯(lián)的電容C1，C4充電，電容C4兩端的電壓升高。3）當C4兩端的電壓升高至D5的管壓降時，C4的電壓便不再升高，此時電容C4通過穩(wěn)壓管D5保持穩(wěn)定電壓。4）R2為保護電阻，用于交流電路斷開時釋放存儲在降壓電容器C4，C5中的電荷，防止交流電接通時，電源電壓與降壓電容器C4，C5存儲的電壓疊加造成電路內(nèi)其他電子元件的損壞。

3 實驗結(jié)果和對比

3.1 驅(qū)動電源參數(shù)測試及分析

表2為相同功率下，本文提出的高效LED驅(qū)動電源與其它2種主流驅(qū)動電源的輸出參數(shù)對比表；表3為本文提出的高效LED驅(qū)動電源與其他品牌相同功率驅(qū)動電源的主要性能對比表。由表2和表3可以看出，與常用的阻容降壓式驅(qū)動電源和恒流式驅(qū)動電源相比，該LED電源在效率方面優(yōu)點較為突出，在相同功率時，高效LED驅(qū)動電源的亮度有明顯的提升。

表2 相同功率下與其它2種主流驅(qū)動電源的輸出參數(shù)對比Tab.2 Comparison of output parameters with other two main driving power supply with the same power

表3 與其他品牌相同功率驅(qū)動電源的主要性能對比Tab.3 Main performance comparison of the same power drive power supply with other two brands

3.2 驅(qū)動電源功能優(yōu)勢分析

圖6、圖7分別為本文所提新驅(qū)動電源系統(tǒng)輸出78 V時的紋波波形實驗綜合數(shù)據(jù)結(jié)果及其對應曲線。

圖6 系統(tǒng)輸出78 V時紋波波形Fig.6 Ripple waveform at system output 78 V

由圖6、圖7實驗結(jié)果可得出如下結(jié)論：

圖7 系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)及對應曲線Fig.7 System comprehensive data and corresponding curves

1）該設(shè)計電路實現(xiàn)了輸入電壓與輸出功率的線性控制，通過使用有源緩沖電路控制電容容量，降低了紋波[10]（見圖6），轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)熱量低。

2）采用無極性電容器替代電解電容器，提高電源的使用壽命。因無變壓器與電感器件，故無電磁能量變換損耗，開關(guān)頻率壽命相對延長。

3）以12 W驅(qū)動電源為例：新驅(qū)動電源的工作范圍為AC 80～260 V，且電壓在AC 160～260 V時，效率始終保持在0.8左右，如圖7b所示。文獻[11]開關(guān)電源工作的電壓范圍一般在AC 110～250 V變化時，效率卻下降至0.5，如圖7c所示。

4 結(jié)論

由于設(shè)計電路原理的特點優(yōu)勢明顯、器件布局合理，使得該驅(qū)動器發(fā)熱量較低易于安裝在燈具內(nèi)。該LED驅(qū)動電源對現(xiàn)有LED驅(qū)動電源的選擇，提供了新的技術(shù)途徑。