80直升机LED航行灯驱动电路的设计方法分析-张江涛(5)

1258第二十八届（2012）全国直升机年会论文直升机LED航行灯驱动电路的设计方法分析张江涛1付雅斌1梁虹1孙飞虎2（1.陆军航空兵学院电气教研室，北京101123；2.65529部队，辽阳111000）摘要：作为一种新的光源，LED在航空领域中具有广阔的应用前景，本文概述了LED航行灯的主要特点，简述了LED灯发光基本原理和构成方式，介绍了LED灯驱动电路的设计方法，对其主要优缺点进行说明，及其性能改善进行了分析。关键词：航行灯；驱动电路；特性0引言直升机的航行灯有红、绿、白色三盏，在直升机左侧上的是红灯，右侧上的是绿灯，机尾上装有一盏白灯。用于判明飞行物是直升机及指示飞行方向，作用是为了避免空中的交通事故。三盏灯可以连续点亮，也可以继续点亮。直升机飞夜航时，如果飞行员看到对方有一架飞机向自己飞来，而且只看到红、绿两盏灯，说明对方正在迎面而来，有对撞的危险，必须设法避开；如果只见到1盏红灯或绿灯，那就说明对方是在自己的左侧或右侧；如果三盏灯同时可见，那就说明对方在自己的上空或下空飞行，这两种情况是没有危险的。所以航行灯对于飞行来说是至关重要的。只要直升机飞行就必须打开。过去直升机上普遍采用的是白炽灯光作为航行灯的光源，这种光源白色但偏黄，亮度不好，使用寿命短、发光效率低，而且很耗电。近年来,随着LED灯技术的迅速发展，具有环保、寿命长、光电效率高等众多优点的LED灯，逐渐开始在直升机上使用。与传统光源相比，LED光源除了显而易见的寿命长，结构坚固，功耗低等优点外，其固有的体积小，设计更灵便，反应快，控制更易等特点。但是，LED的驱动电路成了产品应用的一大关键因素。理论上，LED灯的使用寿命在10万小时以上，但在实际应用过程中，由于驱动电路的设计及驱动方式选择不当，使LED灯极易损坏。1LED发光特性及驱动类型的选择1.1LED的特性1.1.1极限参数的意义1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。1.1.2电参数1）光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图1所示。由图可见，该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最大，该波长为峰值波长。1259图1LED光谱分布和峰值波长图2光谱半宽度Δλ2）发光强度IV：发光二极管的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr时，则发光1坎德拉（符号为cd）。由于一般LED的发光二强度小，所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位。3）光谱半宽度Δλ:它表示发光管的光谱纯度，是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之间隔。图2给出的两只不同型号LED发光强度角分布的情况。中垂线（法线）的坐标为相对发光强度（即发光强度与最大发光强度的之比）。显然，法线方向上的相对发光强度为1，离开法线方向的角度越大，相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。4）半值角和视角：半角是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。半值角的2倍为视角（或称半功率角）。5）正向工作电流If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6Ifm以下。图3LED的V-I特性6）正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.4～3V。在外界温度升高时，VF将下降。7）V-I特性：发光二极管的电压与电流的关系可用图3表示。在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。由V-I曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IR10μA以下。1.2驱动类型的选择1.2.1驱动方式LED驱动方式可分为恒压源驱动和恒流源驱动。恒压源驱动的负载一般采用LED多支路并联，每个支路都要串连一个有一定阻值的镇流电阻，要求高电流输出时，电路的转化效率较低。由于LED1260是电流型器件，即使电压发生微小的变化也可引起电流的大幅度变动，恒压源驱动将影响到LED的发光质量和稳定性；恒流源驱动能控制输出电流稳定，LED发光质量好，一般采用串联连接，只有一个小阻值的检测电阻，效率相对较高。恒流源串联驱动时，一般每个LED并联一个稳压管，防止某个LED烧坏导致整个电路开路。1.2.2拓扑结构LED驱动电路可分为线性稳压器电路和开关型变换器电路。线性稳压驱动电路虽然比较简单，但是在芯片和限流电阻上的功耗比较大，效率非常低。开关型变换器驱动又分为电荷泵驱动和电感式驱动。电荷泵驱动器是利用电容将电流从输入端传到输出端，整个方案不需要电感，具有体积小，设计简单的优点，但它只能提供有限的输出电压范围，不适用于多个大功率LED串联。2驱动电路的设计要求在设计LED驱动电路时，需要知道LED电流、电压特性，由于LED的生产厂家及LED规格不同，电流、电压特性均有差异。现以白光LED典型规格为例，按照LED的电流、电压变化规律，一般应用正向电压为3.0-3.6V左右，典型值电压为3.3V，电流为20mA，当LED两端的正向电压超过3.6V后，正向电压只有很小的增加，但它的正向电流可能会成倍增涨，使LED发光体温度升高过快，从而加速LED光衰减，使LED的寿命缩短，严重时甚至烧坏LED。根据LED的电压、电流变化特性，对驱动电路的设计提出严格要求。当前的LED灯产品多采用阻容降压，然后加上一个稳压二极管稳压，向LED供电，这样驱动LED的方式简单便宜，但存在极大缺陷，首先是效率低，在降压电阻上消耗大量电能，甚至有可能超过LED所消耗的电能，且无法提供大电流驱动，因为电流越大，要求降压电容越大，所以消耗在降压电阻上的电能就越大。其次是稳定电压的能力极差，无法保证通过LED电流不超过其正常工作要求，设计产品时都会采用降低LED两端电压来供电驱动，这样是以降低LED亮度为代价的。采用阻容降压方式驱动LED，LED的亮度不能稳定，当当供电电源电压降低时，LED的亮度变暗，供电电源电压升高时，LED的亮度就会变亮些。在选择和设计LED驱动电路时要考虑到以下几点：(1)高可靠性电压波动，环境影响小。(2)高效率LED是节能产品，驱动电路的效率要高。对于LED驱动电路的结构，尤为重要。因为LED的发光效率随着LED温度的升高而下降，所以LED的散热非常重要。电源的效率高，它的耗损功率小，在灯具内发热量就小，也就降低了灯具的温升。对延缓LED的光衰有利。(3)高功率因素功率因素是电网对负载的要求。(4)驱动方式现在通行的有两种：其一是一个恒压源供多个恒流源，每个恒流源单独给每路LED供电。这种方式，组合灵活，一路LED故障，不影响其他LED的工作，但成本会略高一点。另一种是直接恒流供电，LED串联或并联运行。它的优点是成本低一点，但灵活性差，还要解决某个LED故障，不影响其他LED运行的问题。这两种形式，在一段时间内并存。多路恒流输出供电方式，在成本和性能方面会较好。也许是以后的主流方向。(5)浪涌保护LED抗浪涌的能力是比较差的，特别是抗反向电压能力。加强这方面的保护也很重要。有些LED灯装在户外，如LED路灯。由于电网负载的启甩和雷击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌，有些浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入，保护LED不被损坏的能力。1261(6)保护功能电源除了常规的保护功能外，最好在恒流输出中增加LED温度负反馈，防止LED温度过高。(7)防护方面灯具外安装型，电路结构要防水、防潮，外壳要耐晒。(8)驱动电路的寿命要与LED的寿命相适配。(9)要符合安全规定和电磁兼容的要求。3LED驱动电路面临的挑战1)提高寿命，延长灯具使用时间。驱动电路整体寿命，尤其是关键器件如：电容在高温下的寿命直接影响到电源的寿命；2)提高效率，提高灯具的光效。LED驱动器应挑战更高的转换效率，尤其是在驱动大功率LED时更是如此，因为所有未作为光输出的功率都作为热量耗散，电源转换效率的过低，影响了LED节能效果的发挥；3)降低成本，提高可购买性。目前在功率较小（1-5W）的应用场合，恒流驱动电源成本所占的比重已经接近1/3，已经接近了光源的成本。4结语随着LED灯技术的发展，LED是一种优良的有前途的光源，其特定的发光机理赋予它一系列特征和特点，由于它的发光体小、介质密度大、发光非常集中、亮度很高。作为直升机的航行灯的信号光源，能达到清晰、明亮、无误的光信号，具有无与伦比的优越性。参考文献[1]杨清德.LED驱动电路设计与工程施工.化学工业出版社，2010[2]周志敏.LED驱动电路设计与应用.人民邮电出版社，2006[3]谢运祥，王晓刚译.LED驱动电路设计.人民邮电出版社，2009ThehelicopterLEDnavigationlightsdesignmethodanalysisZHANGJiang-tao1FUYa-bin1LiangHong1SUNFi-hu2(1.AviationElectricalEquipment,ArmyAviationInstitute,Beijing101123，China；2.No.65529PLA,LiaoYangcity111000，China）Abstract:Asanewlightsource,LEDinthefieldofaviationhasbroadapplicationprospect.hisarticleprovidesanoverviewofLEDnavigationlightmainfeatures.ExplainhowtheLEDlightemittingprincipleandcomposition,IntroducedtheLEDdrivercircuitdesignmethodIntroducesthedesignmethodoftheLEDdrivecircuit.DescriptionofitsprincipalstrengthsandweaknessesandanalysestheperformanceimprovementsKeywords:navigation;lights;driving;circuit;characteristic