几种LED驱动电路设计组合分析

2014-11-28编辑:探路者 关键字:LED  驱动电路设计

  LED 驱动电路除了要满足安全要求外,另外的基本功能应有两个方面,一是尽可能保持恒流特性,尤其在电源电压发生±15%的变动时,仍应能保持输出电流在±10%的范围内变动。二是驱动电路应保持较低的自身功耗,这样才能使LED 的系统效率保持在较高水平。

  传统的低效率LED驱动电路:

  

  图1

  图1 是传统的低效率电路,电网电源通过降压变压器降压;桥式整流滤波后,通过电阻限流来使3 个LED 稳定工作,这种电路的致命缺点是:电阻R 的存在是必须的,R 上的有功损耗直接影响了系统的效率,当R 分压较小时,R 的压降占总输出电压的40%,输出电路在R 上的有功损耗已经占40%,再加上变压器损耗,系统效率小于50%。当电源电压在±10%的范围内变动时,流过LED 的电流变化将≥25%,LED 上的功率变化将达到30%。当R 分压较大时,在电源电压在±10%的范围内变动时,虽说能使输出到LED 的功率变化减少,但系统效率将更低。

  

  图2

  图2是在图1 的基础上加了一个集成稳压元件MC7809,使输出端的电压基本稳定在9V,限流电阻R 可用得很小也不会因为电源电压的不稳定造成LED 的超载。但是此电路除了保证LED 的基本恒定输出外,效率还是很低的。因为MC7809 和R1 上的压降仍占很大比例,其效率仅为40%左右。

  上述这类电路的应用,系统总的每瓦输出流明仅为20lm/W~25lm/W,是根本不能称为节能的照明产品的。为了达到既能使LED 稳定工作,又能保持高的效率,应采用低功耗的限流元件和电路来使系统效率提高。

  

  图3

  图3 是采用集成恒流源NUD4001 的LED 驱动电路,这一电路的显著特点是当电源电压在±15%的范围内变动时,输出波动≤1%,可称为恒功率驱动电路,另外这一IC 电路可在很低的串联分压下工作(即1 脚与输出的各引脚之间的电压在≥2.8V 时尚能工作),所以可保证在几乎恒功率输出的情况下,保持1 脚与输出引脚之间的电压在2.8V 左右就能使系统效率达70%左右。这一IC 电路的输入电源可采用工频交流,但最好采用卤钨灯电子变压器作为前级,这样能保证谐波和电源端子干扰都符合标准的要求。当电子变压器内部实现Ⅱ类电器的隔离绝缘输出时,图3 电路可用于Ⅱ类灯具中,并且输出端可以做成可触及式。

  

  图4

  电路是直接采用电容作为限流元件,在此电路中,由于电容上的分压几乎达到了全部电源电压,所以具有良好的限流特性,当电源电压在±10%波动时,输出电流也在≤±10%内波动,只要在设计中把LED 的额定值留有一定的裕量,就能保证在电源电压波动时LED 仍处于良好的工作状态。由于电容的介质损耗极小,所以电路的损耗很小,电阻R 的作用是在断电时,保证电容上的电压能及时放掉,其阻值可≥3MΩ,每组串联的LED 中,可加有一个IN4007 二极管,当两组串联的LED 有一个内部开路时,另一组有可能被反向电压击穿,如串入一个IN4007 二极管,则可保护剩余的LED 不损坏,当然IN4007 的加入也使效率略有下降,(当输出电流30mA 时,IN4007 上的功耗约0.02W)。对于一体化小夜灯,可省略IN4007,此时这一驱动电路效率≥90%。用此驱动电路做成的LED 小夜灯,效率高于采用气体放电光源的小夜灯,并且使用寿命远大于采用其它光源的小夜灯。此电路在30 个LED 串联时还能稳定工作。但是此电路输出的光具有一定的频闪(在50Hz 时有100Hz 的频闪),不适用于运动物的照明场合,并且使用时LED 应做成不可触及,否则将影响安全。

  图5

  电路是在原卤钨灯电子变压器的基础上,利用高频电感限流来实现LED 的稳定工作。此电路的特点是,负载可根据电子变压器功率的大小带上几组LED,并且可做到次级完全隔离的安全特低电压输出,输出电压12V(此时每组的 LED 为3 个),(最高输出电压图5 可以到25V/空载输出电压可以到33V)。由于采用了高频电流来点亮LED,所以输出光的频闪现象基本可消除。输出的限流电感,可以做得体积很小,每个电感的电感量仅为0.05mH~0.2mH

  (根据LED 的电流不同,采用不同电感量的电感),只要电感采用的线径不要太细,电子变压器的调试水平较高,这一电路在输出功率为8W~70W 时,总体效率可达80%~92%。此电路在线路功率≥25W 时,还能全面满足谐波和EMI 的要求。此电路在电源电压变化±10%时,输出给LED 的功率变化±20%,所以应保证在额定电源电压下,使输出给LED 的功率适当小于额定值,防止过电压时LED 超载引起过热而影响使用寿命。

  

  图6

  电路是采用2 块专用IC 电路的LED 驱动电路,该电路采用IC1 型号VIPEr22A 是ST公司生产的智能功率开关集成模块,内部具有PWM 控制电路和一个0.7A/730V 的VDMOS 场效应功率管,IC2 的型号为TSM1101,该IC 内部具有2.5V 的基准电压及两个由运放器组成的比较器,从R6 上取得LED 的工作电流信号输入到IC2 中的CC 比较器,通过比较放大后,反馈到前级。从R4 和R5 分压器上取得LED 的工作电压信号,输入到IC2 中的CV 比较器,通过比较放大后也反馈到前级,两个比较器的反馈信号都是通过光电耦合器(型号SFH610A)耦合到IC1 控制极。IC1 自身产生高频信号来使自身的VDMOS 管不断地工作在导通与截止之间,当电源电压变化时造成N3 上电压变化以及当LED 电流和电压发生变化时,这些信号都被反馈到IC1控制极,使IC1 产生的高频信号的占空比(或称脉宽)发生变化,使自身的VDMOS 场效应功率管的导通/截止时间比例发生变化,从而达到使N2 输出的电压和电流实现恒定输出的目的。图6 中变压器N1 是初级绕组,N2 为次级功率输出绕组,N3 是IC1 的偏置(工作)绕组,N4是IC2 的偏置(工作)绕组。从电路分析可看出,N2 是附于隔离式安全电压输出(28V)绕组,N4 和N2 与输出电路直接连接,为了保证安全标准的要求,输出电路与和电网有直接连接的电路必须实现完全的隔离,所以电路中反馈信号通过高耐压的光电耦合器再反馈到前级的,变压器内的N2 和N4 与NI 和N3 之间在结构上必须满足安全隔离变压器的要求。

  图6 电路的最大特点是:

  1、电源电压在很宽的范围内工作时,(约180V~265V)能保证LED 的恒功率输出,并且LED 可实现无频闪输出。

  2、实现安全隔离的安全电压输出,甚至是安全超低电压输出。

  3、IC2 如果采用TSM104,可实现0~100%的光输出连续调节。

  应注意:N1 和N2 以及高频变压器磁芯是功率输入和输出的通道,整个电路的效率高低主要取决于这三个因素。其它方面几乎无潜力可挖。应采用磁芯截面足够的磁芯以及保持N1 和N2 较低的电流密度,这样才能使该电路的转换效率达到较高的程度,当LED 输出功率为8W时,效率约在80%~85%之间,当LED 输出功率为20W~40W 时,效率约在85%~90%之间。

  综上所述可以看出,LED 在工作时需要有稳流、稳压的元件,但是此类元件应具备自身承担的分压高,但功耗要小的特性,否则将使具有较高效率的LED ,因为驱动电路的工作功耗太大而使总体系统的效率大为降低,有悖于节能高效的宗旨。所以应尽可能不采用电阻或串联稳压电路来作为LED 驱动器的限流主电路,而应该采用电容、电感或有源开关电路等高效电路,这样才能保证LED 系统的高效率。采用串联式集成恒功率输出电路,可以使LED 的光输出在很宽的电源范围内保持恒定,但一般的IC 电路会因此而使效率有所下降。采用有源开关电路可以保证在较高的转换效率下实现电源电压大幅度变化时恒功率输出。LED 在目前阶段,其光效还远未达到可以取代三基色荧光灯的程度,但是以其独特的长处,可以在安全特地电压(游泳池,划水池内水下灯具,矿灯)条件下高效工作。此外,在直接采用绿色电能(太阳能,风能等),以及应急照明方面也有着其独特的优势。尤其在调光方面,LED 不仅可实现0~100%的调光,并且可保证在整个调光过程保持较高光效,并且不损害LED 的寿命,而气体放电灯则很难做到这一点。

关键字:LED  驱动电路设计

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现任华润矽威科技(上海)有限公司市场部经理/高工,上海市传感技术学会理事、副秘书长。

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