論文大功率led恒流驅(qū)動電路的研究與設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 動方式上，多采用并聯(lián)驅(qū)動。對于照明用白光 LED 的驅(qū)動電路，要求有較大的驅(qū)動電流，較好的光匹配度，因此多采用串連驅(qū)動。 大功率 LED 驅(qū)動電路的發(fā)展趨勢隨著大功率 LED 在燈光裝飾和照明中的普遍應(yīng)用，功率型 LED 驅(qū)動顯得越來越重要。用市電驅(qū)動大功率 LED 需要解決降壓和恒流問題，還要有比較高的轉(zhuǎn)換效率，有較小的體積，長時(shí)間工作，較低的成本，電磁干擾和功率因素等問題 [9]。(1) 驅(qū)動器需要適合 LED 的工作特性大功率 LED 是低電壓、大電流的驅(qū)動器件，其發(fā)光的強(qiáng)度由流過 LED 的電流決定，電流過強(qiáng)會引起 LED 的衰減，電流過弱會影響 LED 的發(fā)光強(qiáng)度，因此，LED 的驅(qū)動需要提供恒流電源，以保證大功率 LED 使用的安全性，同時(shí)達(dá)到理想的發(fā)光強(qiáng)度。如深圳天下明公司開發(fā)的 T220C350W 系列產(chǎn)品，其電流脈沖的頻率和占空比可以調(diào)整，該驅(qū)動器提供恒定的電流充分可控，所以可以根據(jù) LED 的性能調(diào)節(jié)最大流過LED 的電流，使得 LED 的發(fā)光量增加。由于采用脈沖供電， LED 處于間歇工作的狀態(tài)，延長了大功率 LED 的使用壽命。另外，該驅(qū)動器是高頻工作，充分利用了 LED 內(nèi)熒光粉的余輝效應(yīng)，不但不會有光的閃爍現(xiàn)象，還進(jìn)一步提高了 LED 的發(fā)光效率。(2) 體積小型化隨著 LED 的進(jìn)一步發(fā)展，向照明領(lǐng)域的不斷進(jìn)軍，向民用市場的逐漸普及。大功率LED 電源設(shè)計(jì)的小型化發(fā)展是一個(gè)必然的趨勢，這對 LED 驅(qū)動器提出了新的課題。(3) 多功能保護(hù)LED 在電流過強(qiáng)時(shí)，引起 LED 衰減，導(dǎo)致 LED 的壽命縮短。恒定的電流在 LED照明中極其重要，這就需要驅(qū)動器提供過流保護(hù)功能。良好的 LED 的驅(qū)動器保護(hù)功能是必不可少的，如過流保護(hù)、過溫保護(hù)、短路保護(hù)、安全保護(hù)等。(4) 功率因素功率因數(shù)是加在負(fù)載上的電壓和電流波形之間的相角余弦（若電壓波形與電流波形的相角差為 ，則 cos 便是電源的功率因數(shù)） 。當(dāng)加在負(fù)載上的電壓和電流波形相位一致φ時(shí)(即相角差 =0)，則功率因數(shù) cos =1 是理想的情況；當(dāng)加在負(fù)載上的電壓和電流波φ形相角差為 90176。時(shí)（即 =90） ，則功率因數(shù)等于零（處于最小值） ；通常，電源的功率因數(shù)處于 0 到 1 之間，即 0≤cos ≤1，可用百分?jǐn)?shù)表示。加在負(fù)載上的電壓和電流波形之間存在相位差導(dǎo)致的結(jié)果之一是供電效率降低，即產(chǎn)生所要求的電力需要輸入更大的電力。導(dǎo)致的另外一個(gè)結(jié)果而且是更嚴(yán)重的后果，那就是電壓和電流的波形差產(chǎn)生過多的高次諧波。大量的高次諧波反饋到主輸入線（電網(wǎng)） ，造成電網(wǎng)被高次諧波污染成為惡性事故的隱患。同時(shí)，這種高次諧波也會擾亂控制系統(tǒng)里的敏感低壓電路。隨著節(jié)能理念的深入人心，大功率 LED 的發(fā)展日趨成熟， “功率因素”的指標(biāo)也被LED 電源驅(qū)動行業(yè)提上議題，交流系統(tǒng)里實(shí)際功率等于視在功率乘以功率因素。(5) 長壽命對于大功率 LED 要進(jìn)入普通照明領(lǐng)域，和其匹配的驅(qū)動電源同樣面臨著長壽命的要求，已經(jīng)成為制約 LED 發(fā)展的一個(gè)瓶頸問題，各大驅(qū)動電源廠商也都意識到這一點(diǎn)，更是 LED 應(yīng)用廠商更加關(guān)注的一點(diǎn)，它將決定 LED 整體節(jié)能高效的性能能否真正實(shí)現(xiàn)。 大功率 LED 驅(qū)動現(xiàn)狀研究大功率 LED 恒流驅(qū)動常用方法有電阻限流、線性控制調(diào)節(jié)、電荷泵升壓、開關(guān)變換器控制等。下面對現(xiàn)有的各種控制方法進(jìn)行簡要的介紹 [1015]。 電阻限流電路這類應(yīng)用的原理圖如圖 24 所示，電阻限流電路控制方式是根據(jù) LED 的 IV 曲線來確定預(yù)期正向電流所需要的電壓，過一個(gè)串聯(lián)電阻來控制 LED 的電流。一般根據(jù) LED參數(shù)和發(fā)光強(qiáng)度，可以得到 LED 的直流電流，從而可知 LED 兩端的電壓，限流電阻值： （2inFDVyRxI??1）式中：V in 為電路的輸入電壓；I F 為 IED 的正向電流；V F 為 LED 在正向電流為 IF 時(shí)的壓降；V D 為防反二極管的壓降(可選)。圖 24 電阻限流電路這個(gè)應(yīng)用方案簡單易行，只需要一個(gè)限流電阻就可以控制 LED 的光強(qiáng)，但存在不少的缺點(diǎn):輸入電壓的微小變化都會導(dǎo)致 LED 電流的變化，從而影響光通量輸出；限流電阻上會消耗大量的功率而使得整個(gè)系統(tǒng)效率不高；當(dāng)這種調(diào)光方式在對白光 LED 燈進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)時(shí)，會使 LED 發(fā)出的白光顏色發(fā)生偏移，不利于把這種控制方式用于日常照明系統(tǒng)，所以這種方式多用在對光色要求不高的情況。 線性控制電路 與電阻限流法相比，線性控制法在精度上有了很大的提高。其基本的原理是:線性控制是把工作于線性區(qū)的功率管等效為一個(gè)動態(tài)電阻，通過負(fù)反饋系統(tǒng)調(diào)節(jié)功率管的阻值大小使得流過 LED 的電流維持在一個(gè)恒定的值。但是由于功率管工作在線性區(qū)，消耗了較多的功率，系統(tǒng)的效率不高。線性調(diào)節(jié)器可以分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種。圖 25 并聯(lián)型線性控制器和串聯(lián)型線性控制器 并聯(lián)型線性調(diào)節(jié)器又稱為分流調(diào)節(jié)器。它采用功率管與 LED 并聯(lián)，分流掉負(fù)載的一部分電流。與電阻限流電路相似，分流調(diào)節(jié)器也同樣需要串聯(lián)一個(gè)限流電阻 Rload，如圖18 (a)所示。當(dāng)輸入電壓增大時(shí)，流過 LED 上的電流增加，反饋電壓增大使得功率管Q1 的動態(tài)電阻減小，流過 Q1 的電流將會增大，這樣就增大了限流電阻 Rload 上的壓降，從而使得 LED 上的電流和電壓保持恒定。分流調(diào)節(jié)器同樣由于串入了限流電阻，系統(tǒng)的效率不高，并且在輸入電壓變化范圍比較寬的情況下很難做到恒流輸出。串聯(lián)型調(diào)節(jié)器是采用功率管與 LED 串聯(lián)，當(dāng)輸入電壓增大時(shí)，使功率管的動態(tài)電阻增大，從而使得功率管上的壓降增大，以保持 LED 上的電壓(電流)恒定，如圖 18(b）所示。這種控制方式與并聯(lián)型線性調(diào)節(jié)器相比，由于少了串聯(lián)的線性電阻，使得系統(tǒng)的效率較高。但是由于功率三極管或 MOSFET 管都有一個(gè)飽和導(dǎo)通電壓，因此輸入的最小電壓必需大于功率管的飽和電壓與負(fù)載電壓之和，使得整個(gè)電路的電壓調(diào)節(jié)范圍受限。 電荷泵升壓電路電荷泵升壓電路（圖 26）又稱為開關(guān)電容升壓控制器。它利用分立電容將電能從輸入端傳送到輸出端，整個(gè)電路不需要任何的電感。電荷泵變換器設(shè)計(jì)比較簡單，只需根據(jù)元件規(guī)格來挑選適合的電容。但它的主要缺點(diǎn)是只能提供有限的輸出電壓范圍，大多數(shù)充電泵電路的輸出電壓增益為輸入電壓的 1，3/2 ，或 2 倍。若要驅(qū)動多個(gè) LED 時(shí)，必須采用并聯(lián)驅(qū)動方式。此時(shí)為了防止并聯(lián)支路上電流分配不均，每條并聯(lián)支路上必須使用鎮(zhèn)流電阻，這樣會消耗大量的功率，整個(gè)系統(tǒng)的效率就會降低。圖 26 電荷泵升壓電路 開關(guān)變換電路開關(guān)電源電路通過調(diào)節(jié)開關(guān)功率管的通斷比可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，理論上將功率管的損耗降低為 0V。開關(guān)電源作為能量變換中效率最高的一種方式，特別適用于大功率LED 的亮度控制。與傳統(tǒng)的電壓型 Buck, Boost, BuckBoost 變換器不同的是大功率LED 的驅(qū)動電路的反饋量是流過 LED 的電流信號而不是輸出電壓信號，以此來滿足LED 的恒流驅(qū)動要求。采用 Buck 拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)低于輸入電源電壓的輸出。這是一種定周期、定時(shí)刻導(dǎo)通的控制方式，通過控制 LED 的峰值電流來調(diào)節(jié) LED 的亮度，整個(gè)控制電路結(jié)構(gòu)比較簡單。采用 Boost 可以實(shí)現(xiàn)高于輸入電源電壓的輸出幅值。與電荷泵電路不同的是 Boost理論上的升壓增益可以無窮大，所以在連接多個(gè) LED 方式時(shí)可以采用串聯(lián)方式，保證了每個(gè) LED 的發(fā)光亮度都相同，并且限流電阻也只需要一個(gè)，有效的提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率，可以說是所有驅(qū)動電路中效率最高的。不過與電荷泵升壓電路相比，需要電感元件，增加了系統(tǒng)的成本和體積。與傳統(tǒng)的 BuckBoost 變換器相比，用于大功率 LED 驅(qū)動的BuckBoost 型變換器電路是將開關(guān)管移至輸入電壓的負(fù)端，從而使得開關(guān)管的驅(qū)動更加簡單。通過控制 LED 的峰值電流及其導(dǎo)通占空比，來調(diào)節(jié) LED 的平均電流，以達(dá)到LED 亮度調(diào)節(jié)的目的。圖 27 Buck、Boost 、BuckBoost 型大功率 LED 驅(qū)動電路第三章 脈寬調(diào)制型（PWM）開關(guān)電源原理脈沖寬度調(diào)制方式（PWM） ，其開關(guān)頻率恒定，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)通脈沖的寬度來改變占空比，從而實(shí)現(xiàn)對能量向負(fù)載傳遞的控制，稱之為“定頻調(diào)寬” 。本章將介紹降壓型脈寬調(diào)制型（PWM）開關(guān)電源 DC/DC 變換器 Buck 拓?fù)涞幕窘Y(jié)構(gòu)，Buck 結(jié)構(gòu)的變換原理和控制方式。開關(guān)電源 DC/DC 變換器從控制模式上可以分為兩類，電壓控制模式（Voltage Control Mode）和電流控制模式（Current Control Mode） 。下面分別介紹電壓控制模式和電流控制模式的原理和特點(diǎn) [16][17][18]。 電壓控制模式取代線性變換器的開關(guān)型變換器早在 20 世紀(jì) 60 年代就開始應(yīng)用。它將快速通斷的晶體管置于輸入和輸出之間，通過調(diào)節(jié)占空比來控制輸出直流電壓的平均值。降壓型的電壓模式開關(guān)電源 Buck 變換器的原理圖如圖 31 所示。其中開關(guān)器件 Q1 與直流輸入電壓 VDC 直接相連。在每個(gè)周期 T 內(nèi)，Q1 導(dǎo)通時(shí)間為 Ton。在 Q1 導(dǎo)通時(shí)，V1 點(diǎn)電壓為VDC（設(shè) Q1 導(dǎo)通時(shí)兩端的電壓降為零） 。Q1 關(guān)斷時(shí) V1 點(diǎn)的電壓迅速下降為 0V(假設(shè)續(xù)流二極管 D1 的兩端的電壓降也為零)，則 V1 點(diǎn)的電壓波形為矩形波，如圖 32 所示，Ton 時(shí)的電壓為 VDC，其余時(shí)間電壓為零，則 V1 點(diǎn)一個(gè)周期內(nèi)的平均電壓直流值為VDC*Ton/T。 LC 濾波器接在 V1 和 Vo 之間它使輸出點(diǎn) Vo 成為幅值等于 V DC*Ton/T 的無尖鋒無紋波的直流電壓。圖 31 電壓模式開關(guān)電源 Buck 拓?fù)涞脑韴D其邏輯關(guān)系是，當(dāng) VDC 上升時(shí)，則 Vo 上升，誤差放大器輸出電壓 Vea 下降，鋸齒波高于 Vea 的時(shí)間提前，也就是 Q1 導(dǎo)通時(shí)間 Ton 縮短，使得 Vo =V DC *Ton/T 保持不變；同理，如果 VDC 下降，則 Q1 導(dǎo)通時(shí)間 Ton 延長，最終的結(jié)果也保證 Vo 不變。由此可以總結(jié)出，無論輸入電壓 VDC 如何波動，電壓控制系統(tǒng)都會改變 Q1 的導(dǎo)通時(shí)間Ton，使得最終的輸出電壓維持在 Vo =Vref(1+R2/R1)。下面就詳細(xì)的分析一下整個(gè)電路的工作過程和波形變化，假設(shè)輸出為 Vo。圖 32 Buck 變換器連續(xù)工作模式下各節(jié)點(diǎn)波形 在每個(gè)周期開始時(shí)，電感 L 上的初始電流為 I1，Q1 由控制信號驅(qū)動后導(dǎo)通，二極管反偏截止，加在 L 上的電壓的大小為 VDCVo，由于電感兩端的電壓恒定，所以流過電感的電流線性上升到 I2，其斜率為 。當(dāng)控制信號使 Q1 關(guān)斷時(shí)，由于電DCO()dI=tL感的電流不能突變，所以電感兩端電壓極性迅速顛倒，二極管導(dǎo)通續(xù)流，這種電壓極性顛倒的現(xiàn)象稱為電感反沖。如果沒有接二極管 D1，則 V1 點(diǎn)的電位會變得很負(fù)以保持電感 L 上的電流方向不變，這會讓 Q1 兩端的電壓差過大而損壞開關(guān)，接上二極管后，實(shí)際 V1 點(diǎn)的電壓被箝位于比地低一個(gè)二極管導(dǎo)通壓降。電感兩端的電壓極性反轉(zhuǎn)后，電感中的電流線性下降，其斜率為 。Q1 關(guān)斷結(jié)束后，電感上的電流降低到D1O(V+)dI=tLI1。當(dāng) Q1 再次導(dǎo)通時(shí)，D1 的電流減少，Q1 上的電流迅速增加并取代了二極管的 D1正向電流直到 D1 上的電流為零，D1 再次反偏，V1 恢復(fù)到 VDC，電感的電流開始重復(fù)前一個(gè)周期的變化過程。在整個(gè)周期內(nèi)，電感的電流會有 I2I1 的上下波動，輸出電流 Io的大小就是 。雖然 Io 會根據(jù)負(fù)載的變化而變化，但是整個(gè)電感電流上升和下??121I+I降的斜率卻和負(fù)載無關(guān) [16]。以上討論的 Buck 變換器的工作過程是基于穩(wěn)定工作時(shí)電感上的電流在下降的過程中沒有下降到 0，也就是 I10，我們稱這種模式為連續(xù)工作模式，如圖 32 中所示。如果電感上的電流在下降的過程中下降至零，也就是在電感上的儲能被完全釋放，我們稱這種工作模式為不連續(xù)模式，如圖 33 所示。圖 33 不連續(xù)工作模式下的電流波形圖不連續(xù)工作模式輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系推導(dǎo)如下。在一個(gè)周期 T 內(nèi)，當(dāng) Q1 開啟時(shí)，電流從 0 開始增加，則直到 Q1 關(guān)斷時(shí)電感電流為 ，Q1 關(guān)斷期間DCOon(V)I=LToff，假設(shè)經(jīng)過 Tr 時(shí)間（也就是二極管 D1 導(dǎo)通得時(shí)間）后電