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作者：中國電子科技集團公司第13研究所 何占偉 河北匯能電力電子有限公司 趙智霞 河北匯能欣源電子技術(shù)有限公司 王志本 日期：2009-9-2 在當今全球能源緊缺的環(huán)境下，節約能源已成為大勢所趨。同時(shí)，國家也大力倡導節能減排，已結束的2008年北京奧運會(huì )和即將到來(lái)的2010年上海世博會(huì )都不約而同地以綠色節能為主題，這就給中國LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的歷史機遇。大功率LED具有光效高、低功耗、壽命長(cháng)、穩定性高、光色純、安全性好、可控性強等優(yōu)點(diǎn)，正逐步取代以往的光源，開(kāi)始廣泛運用于全彩顯示屏、交通信號燈、汽車(chē)車(chē)燈、背景光源、景觀(guān)照明、特種工作照明等，成為照明領(lǐng)域的新一代綠色光源。據國內有關(guān)機構預測，在奧運、世博的強力帶動(dòng)下，中國LED照明市場(chǎng)規模將從2007年的48.5億元快速增長(cháng)至2010年的98.1 億元。有關(guān)專(zhuān)家分析認為，中國LED照明產(chǎn)業(yè)將在2010年前后迎來(lái)新的發(fā)展高峰。 問(wèn)題的提出 一般來(lái)說(shuō)，大功率LED的功率至少在1W以上，目前比較常見(jiàn)的有1W、3W、5W、8W和10W。其被稱(chēng)為“綠色光源”，正朝著(zhù)大電流（300mA～1.4A）、高效率（60～120lm/W）、亮度可調的方向發(fā)展。然而，大功率LED的發(fā)光強度是由流過(guò)LED的電流決定的，電流過(guò)強會(huì )引起LED的衰減，電流過(guò)弱會(huì )影響LED的發(fā)光強度，因此LED驅動(dòng)需要提供恒流電源，以保證大功率LED使用的安全性，還需要滿(mǎn)足預期的亮度要求，并保證各個(gè)LED亮度、色度的一致性。所以，傳統上用于驅動(dòng)燈泡(鎢絲)、日光燈、節能燈、鈉燈等光源的電源并不適合直接驅動(dòng)大功率LED。用市電驅動(dòng)大功率LED也需要解決降壓、隔離、PFC（功率因素校正）和恒流問(wèn)題，還需有較高的轉換效率。 目前，市場(chǎng)上有上千款關(guān)于大功率LED恒流驅動(dòng)的專(zhuān)用芯片，國內有廣鵬 (ADDtek)、點(diǎn)晶(SITI)、晶锜(SCT)、華潤矽威(PT)，國外有美國的超科(Supertex)、德州儀器（TI）、美信、國半、英國的捷特科（Zetex）等知名廠(chǎng)家。大多專(zhuān)用芯片采用遲滯型轉換器，低電壓輸入范圍，可升壓、可降壓、PWM控制、功率開(kāi)關(guān)可內置或外置、輸出電流可以達到 1.5A，內置過(guò)壓、欠壓、開(kāi)路/短路和溫度保護電路等。 如圖1所示，遲滯型轉換器的關(guān)鍵特點(diǎn)是自振蕩，這意味著(zhù)頻率將隨輸入電壓、LED電流和驅動(dòng)LED數量的變化而變化。然而，這種轉換器經(jīng)常運行在連續模式下，這意味著(zhù)電感永遠不會(huì )飽和，也不會(huì )完全耗盡電流，MOSFET關(guān)斷后還繼續有電流維持LED亮度。但缺點(diǎn)是占空比和頻率不斷改變的情況下檢測電阻RCS呈現的阻抗是不一樣的，流經(jīng)RCS的電流和LED實(shí)際電流相比不完全一致，檢測數據存在偏差。 
圖1 遲滯型轉換器 在大功率LED照明工程領(lǐng)域中，需要100W以上大功率的恒流驅動(dòng)電源，同時(shí)要求較高的效率和功率因數，目前市場(chǎng)上的E27、B22和GU10燈頭用LED驅動(dòng)電源遠遠不能滿(mǎn)足大功率LED照明工程領(lǐng)域。 大功率LED的驅動(dòng)電源設計考慮 從照明燈具發(fā)展歷史來(lái)看，幾乎沒(méi)有采用隔離方式。隔離方式設計勢必影響燈具驅動(dòng)效率，也不符合未來(lái)節能降耗要求，所以L(fǎng)ED照明不一定要采用隔離方式設計。 在大功率LED的串聯(lián)數量方面，流經(jīng)大功率LED的電流不再受大功率白光LED串聯(lián)數量的限制。為了滿(mǎn)足不同的發(fā)光亮度需求，通過(guò)靈活地驅動(dòng)多個(gè)大功率LED就可以實(shí)現。對于大功率白光LED的并聯(lián)使用，該類(lèi)電路仍無(wú)法保證并聯(lián)分支LED的發(fā)光亮度一致性。但可以使用多個(gè)相同恒流電源，分路驅動(dòng)不同的并聯(lián)分支LED，這樣就保證了并聯(lián)分支LED屬性一致性，從而可以解決發(fā)光亮度一致性的問(wèn)題。 采用全部串聯(lián)方式要求LED驅動(dòng)器輸出較高的電壓。當LED的一致性差別較大時(shí)，分配在不同LED兩端的電壓不同，但通過(guò)每顆LED的電流相同，LED的亮度一致。如采用恒流式LED驅動(dòng)，當某一顆LED品質(zhì)不良短路時(shí)，由于驅動(dòng)器輸出電流保持不變，不影響余下所有LED正常工作。當某一顆 LED品質(zhì)不良斷開(kāi)后，串聯(lián)在一起的LED將全部不亮。解決的辦法是在每個(gè)LED兩端并聯(lián)一個(gè)齊納管，不過(guò)，齊納管的導通電壓要比LED的導通電壓高，否則LED就不亮了。如廣鵬 (ADDtek)的大功率LED保護器A716、AMC7169和A720，分別是350mA、500mA和700mA LED保護器。如圖2所示，使用時(shí)將其與大功率LED并聯(lián)。 電源失效時(shí)負載斷開(kāi)，這種功能在下列兩種情況下至關(guān)重要，即斷電和PWM調光。如圖2所示，在升壓轉換器斷電期間，負載仍然通過(guò)電感和二極管與輸入電壓連接。這樣即使電源已經(jīng)失效，還會(huì )繼續產(chǎn)生一個(gè)小泄漏電流，極大縮短了LED的壽命。負載斷開(kāi)在PWM調光時(shí)也很重要。在PWM空閑期間，電源已經(jīng)失效，但是輸出電容器仍然與LED連接，它會(huì )通過(guò)LED放電，直到PWM脈沖再次打開(kāi)電源。實(shí)施負載斷開(kāi)電路時(shí)，最好在LED和電流傳感電阻器之間放置一個(gè)MOSFET。在路燈照明設計中,一般要求白天有自動(dòng)關(guān)閉功能,可以在電路中間增加光敏電阻,在白天光線(xiàn)照射下阻值改變使那個(gè)MOSFET停止工作，當然也可以使后級DC/DC停止工作。
圖2 大功率LED保護器 在許多情況下，利用低頻(50～200Hz)PWM方式調節LED電流非常方便，通過(guò)控制脈沖寬度來(lái)調節亮度。這種調節方法的優(yōu)點(diǎn)在于光譜保持不變，而采用幅度調節時(shí)，光譜會(huì )隨著(zhù)流過(guò)LED電流的變化而改變。一般來(lái)說(shuō)，低頻PWM調光電路的效率比線(xiàn)性L(fǎng)ED調光電路更高。在路燈照明設計中, 一般需要在半夜某時(shí)將路燈照度減低一半,節能降耗�？梢栽陔娐分虚g增加定時(shí)器，到時(shí)間輸出50%占空比即可功率減半。 防水設計，按使用環(huán)境分為戶(hù)外、戶(hù)內。目前的防水電源大多是以環(huán)氧樹(shù)脂作為防水密封填充材料，顏色主要為黑色，當然也有白色以及其他一些顏色。有少數廠(chǎng)家采用了其他的防水填充材料。重要的是它要能經(jīng)得起高溫、冷凍、雨水以及一些腐蝕性物質(zhì)的浸襲。 100W的LED路燈可以替代250W的高壓鈉燈，或300W的水銀燈。100W的LED路燈,其輸出光通量大約為6 250lm(經(jīng)過(guò)二次光學(xué)設計,會(huì )有所損失)，到達路面時(shí)的流明數仍為6000，而路面的平均照度可以達到16Lux(桿高12m)。250W高壓鈉燈的輸出光通量為20 000lm，但到達路面的流明數就只有7000，路面的照度大約為30～40Lux。由于顯色系數的差別,LED的照度修正系數為2.35倍，高壓鈉燈的修正系數為0.94倍。所以，100W的LED經(jīng)過(guò)修正以后，地面的照度為37.6Lux，而高壓鈉燈修正后的照度為28.2～37.6Lux，二者相當。所以，100W的LED路燈可以取代250W的高壓鈉燈，LED路燈可以節能60%。 如果不進(jìn)行二次光學(xué)設計，LED的照射是比較集中，所以一定要進(jìn)行二次光路設計，使其光強呈蝙蝠形，照射范圍可以達到66m。 主回路設計 大功率LED照明恒流驅動(dòng)主電路采用優(yōu)異的BOOST和DC/DC的兩級組合方式，具有良好的動(dòng)態(tài)響應和穩流特性，解決了電網(wǎng)的諧波污染問(wèn)題，使大功率LED驅動(dòng)電源更加綠色環(huán)保。 BOOST采用主動(dòng)式有源功率因數校正(APFC)電路，工作在連續模式，諧波電流和開(kāi)關(guān)管電壓電流應力小。DC/DC采用半橋LLC串聯(lián)諧振轉換器，元器件數量有限，諧振儲能(tank)元件能夠集成到單個(gè)變壓器中，因此只需要1個(gè)磁性元件。在所有正常負載條件下，初級開(kāi)關(guān)都可以工作在零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)條件，而次級二極管可以采用零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)工作，沒(méi)有反向恢復損耗。特別適用于中、高輸出電壓轉換器的高性?xún)r(jià)比、高能效和EMI 性能優(yōu)異的解決方案。 傳統功率因數校正電路技術(shù)復雜、設計步驟繁瑣、所需元器件多、體積大而且成本高。因此，設計時(shí)往往要在性能和成本之間進(jìn)行折衷。本設計采用了IR1150，它是一種新型的單周期A(yíng)C／DC功率因數校正控制芯片，采用了IR公司的專(zhuān)利單周期控制(0ne-cycle control，OCC)技術(shù)，無(wú)須傳統PFC電路所需的模擬乘法器、輸入電壓采樣以及固定的三角波振蕩器，大大簡(jiǎn)化了PFC電路的設計并縮小了裝置體積。 半橋LLC串聯(lián)諧振轉換器采用飛兆半導體公司推出的高集成度綠色FPS功率開(kāi)關(guān)FSFR2100。其采用零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)技術(shù)，能夠大幅降低MOSFET和整流器的開(kāi)關(guān)損耗。采用這種技術(shù)，此FPS開(kāi)關(guān)無(wú)須散熱器即可處理高達200W的功率，使用散熱器更可處理高達450W的功率。較之于傳統的硬開(kāi)關(guān)轉換器拓撲，FSFR2100的效率提高了10%。它可以在輸入和負載大范圍變化的情況下調節輸出，同時(shí)開(kāi)關(guān)頻率變化相對很小。此外，它可以在整個(gè)運行范圍內實(shí)現零電壓切換（ZVS）。最后，所有寄生元件，包括所有半導體器件的結電容和變壓器的漏磁電感和激磁電感，都是用來(lái)實(shí)現ZVS的。 照明恒流驅動(dòng)電源主電路如圖3所示，前級APFC實(shí)驗電路輸入電壓AC 220V，額定輸出DC 380V，開(kāi)關(guān)頻率f選擇70kHz，后級半橋LLC串聯(lián)諧振轉換器。輸出電壓范圍：DC 300～360V，輸出額定電流350mA，諧振頻率f0選擇100kHz，變壓器匝比n=Np/NS=0.6，功率滿(mǎn)足150～300W的輸出功率范圍。主電路依次是85V～264VAC→整流→PFC→380VDC→DC/DC（隔離）恒流→多顆LED串聯(lián)，APFC可以選用功率因數校正控制器 IR1150、L6562和FAN7527B等，半橋LLC串聯(lián)諧振轉換器選用FSFR2100。
圖3 大功率LED照明恒流驅動(dòng)電源主電路 關(guān)鍵技術(shù)設計 LED照明驅動(dòng)方式，由于直接將RSET連接FB端會(huì )造成RSET的功耗過(guò)大，所以功率較小的LED恒流驅動(dòng)電源往往在FB反饋端和RSET之間放置一個(gè)運算放大器以降低功耗。如圖4所示，運算放大器獲取采樣電阻RSET上的電壓，結合其他電阻和電容就可以構成一個(gè)完整、高效率的大功率LED恒流驅動(dòng)電路。這樣就能在確保LED獲得恒流供電的同時(shí)，將RSET的功耗降低到可以接受的水平，從而使LED兩端的電壓盡可能大，流經(jīng)的電流也盡可能大。
圖4 功率較小的LED恒流驅動(dòng) 大功率LED恒流驅動(dòng)電源采用先穩壓，再限流的混合方式。為適應負載需要，電壓需要保證在一定范圍內。LED的Vf值在3～3.6V之間，那么按LED實(shí)際數量即可確定電源部分需要調整的電壓范圍。大功率LED恒流驅動(dòng)如圖5所示，設定穩壓源的最大設定值VSET（比如DC360V），設定穩流源的設定值ISET（300mA～1.4A），采樣RSET上的電壓，若超過(guò)穩流源的設定值時(shí)，則輸出電壓相應下降，根據LED燈串聯(lián)數量的多少，輸出電壓可降至最小值（如DC 300V）。
圖5 大功率LED恒流驅動(dòng) 開(kāi)關(guān)調節控制模式與電阻限流方式相比，電路成本較高；控制環(huán)路可準確調節LED電流；可實(shí)現幅值和低頻PWM調節；能夠實(shí)現LED特性的自動(dòng)溫度補償；寬輸入電壓范圍；基本上不需散熱器，可節省成本，對于高輸入電壓和大工作電流，其他驅動(dòng)方案會(huì )導致非常高的損耗，然而此模式仍能保持高效工作。 技術(shù)指標 根據上述設計方案，大功率LED照明恒流驅動(dòng)電源的主要技術(shù)指標為：輸入電壓85～264V；頻率47～63Hz；輸出功率 100W；輸出電流：350mA±5%或700mA±5%；輸出方式：多顆1W以上大功率LED串聯(lián)方式；輸出電壓范圍：DC 300～360V，效率≥90％，功率因數≥0.99，諧波≤5%，穩流精度≤5%；具有定時(shí)、調流、關(guān)機功能；具有過(guò)壓、過(guò)流、短路和過(guò)溫保護功能；全密封，防水要求IP65，外型尺寸(L×W×H)=185mm×70mm×45mm，重量1.5kg。工作溫度-40～+70℃，儲存溫度 -50～+85℃，符合相關(guān)安規、ROHS和電磁兼容標準、防雷設計（ICE-61000-4-5 Class 4）。較好地滿(mǎn)足了照明工程的要求。 |
