大功率LED路灯驱动电源的设计_张涛pdf

2009年3月灯与照明第33卷第1期LED研究大功率LED路灯驱动电源的设计张涛1,秦大为2(1.连云港市路灯管理处,江苏连云港222004;2.盐城师范学院实验中心,江苏盐城224002)摘要:该文根据大功率LED的工作特性,对市场上常见的大功率LED路灯驱动电源进行了分析,并提出了大功率白色LED在路灯照明应用中,其驱动电源需要满足的多个设计要素。关键词:大功率LED;恒电压控制;恒电流控制;路灯照明TheDesignofHigh-powerLEDStreetLampDriverZhangTao1,QingDawei2(1.StreetLampManagementofLianyung,LianyungangJiangsu222004;2.TestCenterofYanchengNormalCollege,YanchengJiangsu224002)Abstract:ThisarticlebasedontheoperationalfactorsoftheHigh-powerLED,toanalyzethefamiliarHigh-powerLEDstreetlampdriveronthemarket,andproposedtheHigh-powerLEDinthestreetlightilluminationapplication,thedriverneedstosatisfymanydesignessentialfactors.Keywords:high-powerLED;constantvoltcontrolling;constantcurrentcontrolling;streetlighting0引言当前我国正在创建资源节约型、环境友好型社会,“绿色照明”的概念也在逐步深入人心。随着科技的不断进步,半导体材料应用技术的高速发展,小功率LED光源已广泛应用于景观照明,大功率的LED路灯也越来越多地引起各方面的关注。大功率LED路灯是一种通过直流低压点亮大功率LED组来实现照明需求的一种新型照明方式,具有亮度高、显色性好等特点。另外,由于LED路灯的输入为低压直流,能与太阳能结合起来,使得太阳能LED路灯成为了未来道路照明方式的一种可能。然而大功率LED所需的驱动电源为直流的低电压,所以传统上用以驱动白炽灯、日光灯、节能灯、钠灯等光源的电源并不适合直接驱动大功率LED。而收稿日期:2009-01-08普通的降压、稳压电源必须重新改良才能适用于驱动大功率LED。本文根据大功率LED的工作特性,对市场上常见的驱动电源进行分析,提出了在路灯照明领域的应用中,为了能更好地发挥大功率LED的优点,驱动电源必须满足恒流输出、散热、效率、功率因数、过压过流过温保护等多个设计要素。1大功率LED的工作特性图1为正向导通压降(V)和正向电流(I)的非线性关系曲线图。由曲线可知,当正向电压超过某个阈值,即通常所说的导通电压之后,可近似认为,I随着V的上升而急剧上升;由图1可知,大功率LED是低电压、大电流的发光器件,当前大功率LED的最高I可达1A,而V一般为2～4V。作者简介:张涛(1972-),男,工程师,江苏连云港人,长期从事城市道路照明技术与管理工作。·33·2009年3月灯与照明第33卷第1期过调整原副线圈的变比,就可以在副边得到需要的交流电压,该工频变压器起到了隔离、降压的作用。通过后继的整流和稳压电路,就可以得到预期的直流电压。图1正向导通压降和正向电流曲线图由于大功率LED的光特性通常都描述为电流(I)的函数,而不是电压(V)的函数。加上LED生产工艺和温度的不同,大功率LED的正向压降(V)变化范围会出现比较大的波动(最大可达1V以上)。而由图1中的V-I曲线可知,V的微小变化会引起较大的I变化;其LED发光的强度由流过LED的电流决定,电流过强会引起LED的衰减,电流过弱会影响LED的发光强度。所以,采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性,并且影响LED的可靠性和寿命。因此,大功率的LED通常采用恒流源驱动,以保证大功率LED使用的安全性,同时达到理想的发光强度。图2是LED的光通量和温度(℃)的关系曲线。由图2可知光通量与温度成反比,温度的变化对LED的波长也有一定的影响,因此,良好的散热是LED保持恒定亮度的保证。图2光通量与温度曲线图2恒电压源模式2.1工频变压器线性稳压源2.1.1电路构成与工作原理如图3所示,这类电源的共同特点是由工频变压器、整流滤波电路、恒压电路组成。该类型电路工频变压器原、副线圈完全隔离,通·34·图3稳压电源示意图2.1.2优点电路简单,成本很低。2.1.3缺点损耗大,效率低,体积大,温升高,亮度不稳定。该类电路的工频变压器起到降压的同时,自身的损耗也会随负载的增大而明显增加,导致严重的温升现象;同时能量转换的效率也会变低;另外由于该变压器的物理结构,限制了该电源体积的小型化。该类电路在驱动大功率白光LED时,必须串联RES来限制和稳定流经大功率白光LED的电流,否则一旦工作电流过大,超过了大功率白光LED的最大工作电流,则会导致大功率白光LED的永久性损坏。然而增加限流电阻的方法,不但增加了能量的过多损耗,而且不能解决工频电压的波动而导致的发光亮度不稳定等问题。该类电路的工频变压器的线圈变比决定了大功率白光LED的串联数量,一旦选定了工频率变压器,就难以增加大功率白光LED的串联数量。为了满足不同的发光亮度需求,只能以并联的方式来增加大功率白光LED的数量,但是因为大功率白光LED的属性(导通电压、温度)不同,很难实现流经每个并联LED分支有相同的电流,从而会出现各并联的分支LED的发光亮度不一致的现象。该类电路的电能转换效率低,不能实现节能的目的;工频电压的波动和电路的温升导致大功率白光LED的发光亮度不稳定,使得该电路不适用于路灯照明领域。2.2高频变压器开关稳压源2.2.1电路构成与工作原理2009年3月灯与照明第33卷第1期如图4所示,这类电源的共同特点是具有高频市电整流得到的高压直流。变压器,直流电压是从变压器次级绕组的高频脉冲但该类电路关注的是恒电流输出,而不再是高电压整流滤波而来。变压器原副线圈是隔离的,而频变压器开关稳压源所关注的恒电压输出。输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。图4高频稳压电源示意图2.2.2优点功耗小,效率高,体积小,重量轻,稳压范围宽。2.2.3缺点控制电路比较复杂,对元器件要求高,亮度不稳定。该类电路使用了大功率开关晶体管、快速恢复二极管以及高频变压器,开关转换速度很快,这使得大功率开关晶体管的功耗很小,电源的效率可以大幅度地提高。由于没有采用笨重的工频变压器,大功率开关晶体管的功耗又很小,省去了较大的散热片,所以电源体积小,重量轻。关键在于该类电路的输出电压是由激励信号的占空比来调节的,工频输入信号电压的变化可以通过脉冲调制来进行补偿,在出现电网电压变化较大时,仍能保证有较稳定的输出电压。该类电路在驱动大功率白光LED的原理上和工频变压器线性稳压源一样,采用的是恒压限流的方法,没有符合大功率白光LED的非线性V-I曲线特性,所以在性能方面,仍存在串并联发光亮度不稳定和发光亮度不一致的问题。该类电路较之工频变压器线性稳压源,在效率、体积、稳压范围方面有显著的改善,所以在其他一些照明场合使用比较多,但该类电路仍不适合于路灯照明领域。3恒电流源模式3.1电路构成与工作原理如图5所示,这类电源与高频变压器开关稳压源具有共同特点:都具有高频变压器,直流电压是从变压器次级绕组的高频脉冲电压整流滤波而来。变压器原副线圈是隔离的,而输入电压是直接从交流图5恒电流源示意图3.2优点功耗小,效率高,体积小,重量轻,恒电流输出,LED亮度稳定。3.3缺点控制电路比较复杂,对元器件要求高,LED并联亮度不一致。该类电路在驱动大功率白光LED的原理上,采用了恒电流控制的方法,具有自动限流作用,比之采用电阻的恒压限流驱动的方法,更易于实现限流和过流保护;同时没有额外的限流电阻,减小了电路损耗,提高了能量转换效率。该类电路驱动方法符合大功率白光LED的非线性V-I曲线特性,避免了电压轻微波动而造成的电流变动,从根本上解决了大功率LED串联亮度不稳定的问题,保证了大功率LED的发光亮度恒定。在大功率白光LED的串联数量方面,流经的大功率LED的电流不再受大功率白光LED串联数量的限制。为了满足不同的发光亮度需求,通过灵活的驱动多个大功率白光LED就可以实现。对于大功率白光LED的并联使用,该类电路仍无法保证并联分支LED的发光亮度一致性。但可以使用多个恒电流电源,分别驱动不同的并联分支LED,同时保证并联分支LED属性一致性,从而可以解决发光亮度一致性的问题。相对比较下,恒电流输出模式比恒电压模式更适合在照明领域中使用,该类电路无论在能量转换效率、发光亮度稳定性方面都更胜一筹。4可靠性设计要在照明领域中大量使用大功率白光LED,只有保证大功率白光LED驱动电源安全可靠地工作,·35·2009年3月灯与照明第33卷第1期才能保证大功率白光LED的长寿命和发光亮度稳定。4.1过压过流保护在实际使用中,会出现负载短路或者空载的情况,会造成整个驱动电源的破坏,所以在驱动电源设计的时候,需要增加过压与过流保护。4.2隔离保护LED是低电压的产品,当驱动电源的开关损坏时,也不能有危及负载的高电压出现。所以要求电路的负载电路做到隔离保护。4.3浪涌保护在实际应用中,电网很不稳定,尤其是雷雨季节,会有浪涌电压存在,所以在驱动电源设计时,要考虑到整个产品的防雷,尽量避免在异常时造成永久性的破坏。4.4散热设计在大功率LED应用中,LED能承受的电流与温度有一定的关系,所以在驱动电源设计时,需要考虑大功率白光LED的散热问题和驱动电源本身的散热问题。4.5谐波小开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰,这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽,就会严重地影响整机的正常工作。此外,由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离,这些干扰就会串入工频电网,使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。随着节能理念的深入人心,大功率LED的发展日趋成熟,“功率因数”的指标也被LED电源驱动行业列为议题,所以驱动电压的设计一定要考虑该参数。我们相信,随着大功率白光LED的发展,成本也会降低,其驱动电源的设计也将随之得到发展,大功率LED应用在路灯领域中,将很快成为现实。参考文献:[1]王增福.新编线性直流稳压电源[M].北京:电子工业出版社,2004.11[2]Mehm～Nalbant.高亮度LED的高效率电流驱动电路[J].电子产品世界[3]李意,尹华杰.单级功率因数校正(PFC)研究的新进展[J].电源技术应用,2003,(5)[4]雷玉堂,黎慧.未来的照明光源———白光LED技术及其进展[J].光学与光电技术,2003[5]郭志军,侯民贤,张在宣等.白光照明LED灯温度特性的研究[J].发光学报,2002(上接第23页)说,就是要让人感受到光的旋律与整个房间环境布合理,节约能源,安全可靠并便于维护管理。置的旋律一样协调。6小结家居艺术照明已经成为一种潮流,引领了家居时尚消费风潮。灯饰在未来建筑和室内设计中扮演重要的角色。家居照明不仅仅为人们提供了良好的光照条件,还有组织空间、增强室内空间艺术效果、烘托空间气氛和增添情趣等功能,从而引起人们心理上的联想。灯光是空间魅力之源,要让人们一进入家门,就感受到一种光的和谐和美感,进一步来参考文献:[1]王冯强.住宅室内的装饰照明设计[J].陕西建筑与建材,2004(8):19～20[2]王建华.住宅客厅照明环境调查及设计[J].住宅科技,2001(10):36～38[3]马欣凡,庄文豪.艺术照明[M].广州:广东科技出版社,2000.1～15[4]谢浩.现代家居照明设计[M].北京:机械工业出版社,2004.135～145·36·