（机械电子工程专业论文）led日光灯恒流驱动电源的研究与应用.pdf

摘要 摘要 随着能源和环境问题的日趋严重，以高效、节能、环保及寿命长为主要特点 的l e d 获得了人们的重视，成为近年来全球最具发展前景的高新技术之一，l e d 在照明应用上也逐渐受到各国的重视，若能以l e d 照明替代目前低效率、高能 耗的传统照明，无疑对缓解当前越来越紧迫的能源危机和环境恶化问题起到举足 轻重的作用，因此l e d 照明的研究与应用也日趋广泛。然而l e d 照明光源并没 有得到广泛应用，主要难题之一是l e d 驱动电路的成本高及不稳定性，因此l e d 驱动电路成为影响l e d 产业发展的关键因素。 由l e d 特有的电学特性可知其对电流的敏感度要高于对电压的敏感度，因 此l e d 需要恒流驱动，本文针对l e d 驱动电路的不足，提出了两种稳定性较高 和成本较低的l e d 恒流式驱动方案。第一种驱动方案采用恒压线性恒流驱动电 路，把互补恒流电路顺利地应用于l e d 的恒流驱动电路中，并通过在电路中增 加有源功率因数校正电路，使电路同时还具有功率因数校正和稳压输出的功能， 因此可以很好地提高功率因数并稳定输出电压。进而实现恒压与线性恒流整合的 方式来实现l e d 的恒流控制，实验结果表明该驱动电路恒压和恒流效果显著。 为了增强l e d 驱动的灵活性，提出了第二种l e d 恒流驱动方案即开关电源 式恒流源。本文详细阐述了降压( b u c k ) 变换器的工作原理，并在连续导电模式 下对其进行了数学推导和建模仿真，然后利用峰值电流型控制芯片提出了非隔离 降压( b u c k ) 型开关电源式恒流源，该驱动方案能较好地实现稳压和恒流的功能。 最后对这两种驱动方案的系统电路进行分析，对主要元器件参数进行了计算 和选用，并动手制作了这两种l e d 恒流驱动电源，并制做成l e d 日光灯对其进 行性能参数测试，实验结果表明驱动恒流效果显著，可以较好地抑制电流谐波， 且驱动电路可靠性较高。 关键词：l e d 照明；恒流驱动；功率因数校正 a b s w a c c a b s t r a c t w i t hi n c r e a s i n g l ys e r i o u sp r o b l e m so fe n e r g ya n de n v i r o n m e n tt o d a y , l e d ， w h i c hi sf e a t u r e da s h i g h - e f f i c i e n t , e n e r g y - s a v i n g ，e n v i r o n m e n t a l f r i e n d l ya n d l o n g l i f e t i m e ，h a sa t t r a c t e dp e o p l e sa t t e n t i o na n db e c o m eo n eo ft h em o s tp r o m i s i n g h i g ht e c h n o l o g i e so ft h ew o r l di nr e c e n ty e a r s 。i t sa p p l i c a t i o ni nl i g h t i n gi sa l s op a i d a t t e n t i o nt o ，a n di fl e d l i g h t i n gc a l lr e p l a c et h et r a d i t i o n a ll i g h t i n go fl o we f f i c i e n c y a n dh i g hc o n s u m p t i o n , i ti sn od o u b tt h a tt h ei s s u e so fe n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a l d e t e r i o r a t i o nw i l lb ea l l e v i a t e dw i t ht h e h e l po fl e dl i g h t i n g t h u s ，r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fl e dl i g h t i n ga r ei n c r e a s i n gm o r ea n dm o r e h o w e v e r ，l e dl i g h t i n g h a sn o tb e e nw i d e l yu s e da n do n eo ft h em a j o r c h a l l e n g e si sl e dd r i v e rc i r c u i t sh i g h c o s t sa n di n s t a b i l i t y s o ，l e dd r i v e rc i r c u i ti s t h ek e yf a c t o r a f f e c t i n gt h e d e v e l o p m e n to fl e di n d u s t r y b a s e do nl e d ss p e c i f i ce l e c t r i c a lp r o p e r t i e st h a ti ti sm o r es e n s i t i v et oc u r r e n t t h a nt ov o l t a g e ，l e di ss u p p o s e dt ob ed r i v e ni nc o n s t a n tc u r r e n t a c c o r d i n gt ol e d d r i v e rc i r c u i t sd e f i c i e n c y , t h ep a p e r p r o p o s e st w os t a b l ea n dl o w - c o s tl e dc o n s t a n t c u r r e n td r i v e rc i r c u i t sw h i c ha r es i m p l e ，e f f i c i e n ta n do fs m a l ls i z e p r o p o s a lo n eu s e s s t a b i l i z i n gv o l t a g e l i n e a rc o n s t a n tc u r r e n td r i v e rc i r c u i t , t h ei n n o v a t i o no fw h i c hl i e s i na p p l y i n gc o m p l e m e n t a r yc o n s t a n tc u r r e n tc i r c u i ti nl e dc o n s t a n tc u r r e n td r i v e r c i r c u i t t h r o u g ha d d i n ga c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i t ，t h ep r o p o s e dc i r c u i th a s f u n c t i o n so fc o r r e c t i n gp o w e rf a c t o ra n d r e g u l a t i n go u t p u tv o l t a g e ，w h i c hc a ng r e a t l y i m p r o v ep o w e rf a c t o ra n ds t a b i l i z et h eo u t p u tv o l t a g e t h e n , s t a b i l i z i n gv o l t a g ef i r s t a n dc o u p l i n g 州t hl i n e a rc o n s t a n tc u r r e n tc i r c u i tt oa c h i e v ec o n s t a n tc u r r e n tc o n t r 0 1 e x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v et h a tt h i sc o n s t a n tc u r r e n td r i v e rc i r c u i tp e r f o r m sw e l l i no r d e rt oi n c r e a s el e d d r i v e r sf l e x i b i l i t y , p r o p o s a lt w ou s e ss w i t c h i n gp o w e r s u p p l ya sc o n s t a n tc u r r e n ts o u r c e w o r k i n gp r i n c i p l e so fs t e p d o w nc o n v e r t e ri s d e s c r i b e di nd e t a i l s ，a n di nt h ec o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ，t h ec o n v e r t e ri sd e r i v e d m a t h e m a t i c a l l y , m o d e l e da n ds i m u l a t e d t h e n , b a s e do np e a kc u r r e n tc o n t r o lc h i p ，a n o n i s o l a t e ds t e p d o w n ( b u c k ) s w i t c h i n gp o w e r s u p p l yi sp r o p o s e d ，w h i c ht a k e s a d v a n t a g eo fv a l l e y f i l lp a s s i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nt or e a l i z et h ef u n c t i o no f s t a b i l i z i n gv o l t a g ea n dc u r r e n t a tl a s t , o nt h eb a s i so fc o m p l e t i o no f c i r c u i ta n a l y s i sa n dp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o n , l e dl a m p su t i l i z i n gt h e s et w ol e dc o n s t a n tc u r r e n tp o w e rs o u r c e sr r em a d ea n d t h e i rp e r f o r m a n c e sa r et e s t e d e x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o wt h a tc o n s t a n tc u r r e n td r i v e r c i r c u i tp e r f o r m sg r e a t l y i tc a ns u p p r e s sc u r r e n th a r m o n i c sa n di so fh i g hr e l i a b i l i t y t h i sp a p e rm a k e sa ne x p l o r a t i o ni nl e dc o n s t a n tc u r r e n td r i v e rc i r c u i t s k e y w o r d s ：l e dl i g h t i n g ；c o n s t a n tc u r r e n td r i v e ；p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) ，又称为发光二极管，它把固体半导体芯片作为 发光材料，是一种将电子直接转换成光子的半导体器件。2 0 世纪9 0 年代以来， 以氮化镓( g a n ) 基白光发光二极管为核心的半导体照明技术在全球范围内得到 了迅猛发展，被视为是继白炽灯和荧光灯之后的下一代照明技术。和传统的白炽 灯、荧光灯等照明光源相比，白光l e d 灯具有高效、节能、环保及寿命长等显 著优势；在同样亮度下，l e d 灯用电量仅为白炽灯的1 1 0 ，而l e d 灯的使用寿 命是白炽灯的1 0 0 倍，且在生产和使用过程中不会对环境造成污染【1 1 。因此l e d 这个照亮未来的技术，最终引发了照明领域的第三次革命【2 1 。 当今世界能源的缺乏和环境的污染成为最严重的问题，而能源的使用又是造 成环境污染最重要的因素，其中，第二大能源消耗主要是照明的使用，其占据了 所有能源消耗的1 9 ，如果用l e d 取代传统的白炽灯照明将节省9 0 的电力， 这对能源缺乏的今天具有重要意义，而且在生产过程中也可以大量减少二氧化碳 和其他废气的排放【3 】。因此基于l e d 照明的诸多优点，使l e d 照明光源的研究 与应用成为世界照明界的新焦点。 l e d 芯片的发展如火如荼，但与此同时，l e d 驱动电源成为了l e d 产业链 获得更大发展的保障，因为驱动电源的质量将会对l e d 产品的使用寿命和可靠 性产生直接的影响。因此，l e d 产业链要获得更大的发展，l e d 驱动电源的发 展也有举足轻重的地位。由于l e d 具有特性敏感和负温度的特性，因此在应用 时要稳定其工作状态且施加保护，驱动的概念由此产生。l e d 需要2 3 伏低压 驱动，如果要直接应用于市电中，针对不同用途的l e d 光源，要配套相应不同 的转换电路即电源驱动器。在全球市场上，客户对l e d 驱动电源的特性比如有 效功率、转换效率，恒流精度，电源寿命和电磁兼容性要求都比较严格，因为驱 动电源的品质好坏将决定l e d 光源产品的寿命和可靠性，因此，要开发出一个 良好的电源驱动器必须考虑到这些因素。 然而，在一个繁荣的市场背景下，由于驱动电源的要求的差异导致l e d 照 明产品质量的良莠不齐，现如今对l e d 驱动电源企业主要面临这几个挑战：首 l e d 日光灯恒流驱动电源的研究与应用 先是l e d 驱动电源的整体寿命，特别是一些关键元器件的寿命会直接关系到驱 动电源的寿命；其次是l e d 驱动电源应该提高电路的转换效率，即要把电能尽 量转化为光能输出，要避免过多的热量耗散，因为电源效率过低会导致l e d 的 节能大打折扣；最后要实现对l e d 高效率的调光，而且要保持亮度不同时颜色 的稳定。与此同时，要设法降低电源的成本，目前在小功率的应用场合，恒流驱 动电源成本比例已经占了近三分之一，快要接近l e d 芯片的成本，高成本导致 了光源的普及应用产生了很大的影响。从普通的家居照明来看，1 0 w 以上的节 能型照明产品具有较合适的照明强度。其中日光灯管式的结构比较有利于l e d 的散热，而且与现有的灯管接口能有较好的兼容性【4 】。除此之外l e d 供电电源 的功率因数及效率一直很低，也成为阻碍l e d 照明工程化应用推广的主要问题 专一【5 】，o o 由此可以看出要使l e d 照明光源得到更大的发展及普及，为l e d 提供性能 优良的驱动电源成为关键，因此设计出低成本及高可靠性的驱动电路具有较大的 经济价值和实用意义。基于此背景，本文从l e d 日光灯驱动入手，提出了两种 稳定性较高和成本较低的恒流式驱动方案，且这两种驱动方案都带有功率因数校 正，作为l e d 日光灯恒流驱动电路的一次探索尝试。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外l e d 应用及发展状况 因全球能源短缺，节能新光源的研发成为全球的焦点，而l e d 凭借具有高 效、节能、耐震性好、环保及寿命长等显著特性，比较符合于轻、薄和小型化设 备的应用场合，正逐步成为世界照明界研究的新热点【6 ，。7 1 。因此，美国、日本、 欧盟、韩国和我国都把l e d 作为“照明未来的技术”而进行重点研究，纷纷启 动l e d 固态照明计划，目的就是占领这一新战略技术的先机和制高点，从2 0 0 9 年起，欧盟国家已开始禁用普通白炽灯，陆续有些国家和地区也在2 0 1 0 年和2 0 1 2 年开始禁用白炽灯【3 j 。 虽然我国在超高亮度和白光l e d 领域已具备一定的技术和产业基础，但是， 照明工业也存在大而不强的问题，主要做利润率低的低端光源产品，因此缺乏国 际市场竞争力。迄今为止，普通照明和城市景观照明所用的大部分节能灯具，只 2 第一章绪论 有5 的电能转化成了光能，目前我国一年照明耗电量超过2 0 0 0 亿千瓦时，占全 国用电总量的1 2 。半导体灯替代传统灯后，我国每年可节约近1 0 0 0 亿千瓦时， 已经超过了2 0 0 8 年建成后的三峡电站的发电量 8 】。 如今国外l e d 照明光源技术的发展速度要超过国内。特别是在全球能源匮 乏，环境污染和经济危机的背景下，l e d 照明产业的发展前景已经被世界各国 所认同。据美国能源部( d o e ) 统计，美国2 2 的电能用于照明。d o e 还宣称 在今后2 0 年中，l e d 照明将在美国得到快速普及，进而可以使照明电能的消耗 减少6 2 。而且，它可以少建1 3 3 座新的电厂；减少2 5 8 亿吨的二氧化硅排放， 利用l e d 照明可以使财政节省1 1 5 0 多亿美元。 以美国通用公司、日本日亚公司、德国欧司朗为代表的国外公司已经垄断了 功率l e d 芯片的生产和封装等关键技术，并借此推出l e d 照明设备。在l e d 恒流驱动开关电源技术方面，国外也发展迅速。如日本松下电工已经开始生产“袖 珍型l e d 照明灯 ，把驱动电源内置在灯头内二做成筒灯和聚光灯，可直接用 2 2 0 v 市电供电，每套售价在1 0 0 万- 2 0 0 万日元之间，光源寿命达4 万小时【9 】。 1 2 2l e d 驱动技术的发展状况 根据l e d 的特性可知，l e d 驱动电源采用恒流驱动电源更为合适，高质量 的l e d 照明需要高效l 王d 恒流驱动电源的支持。当前常用的l e d 恒流驱动电 源主要有三种实现方式，首先是用电阻在恒定电压下限流，进而实现恒流功能； 其次用l e d 专用恒流驱动芯片i c 实现恒流；最后是使用传统的恒压电源的控制 芯片实现恒流功能。因为前两种方式技术难度小，实现容易而成为主流。第二种 方式主要应用于低压直流驱动，当l e d 灯具用2 2 0 v 市电供电时，要利用l e d 专用恒流驱动芯片实现恒流，必须先降压实现低压直流。在克服前两种驱动方式 缺点的基础上，恒流驱动开关电源的应用也越来越广，使恒流稳定、高效、低成 本、小体积的l e d 恒流驱动开关电源的开发成为研究的热点 9 】。 从l e d 恒流驱动开关电源的供电方式上，可以分为d c d c 和a c d c 两类。 d c d c 主要由低压直流供电，用于随身听、汽车刹车灯、手机等便携式电子设 备中，且驱动电路主要有电容型( 电荷泵) 和电感型( b u c k 型降压和b o o s t 升 压) 两类。a c d c 主要由1 1 0 v a c 或2 2 0 v a c 驱动，应用于普通照明和液晶显 3 l e d 日光灯恒流驱动电源的研究与应用 示背光源等，驱动电路有阻容降压、工频变压器降压、b u c k 变换器降压和开关 电源等几种驱动方案。 其中阻容降压和工频变压器降压驱动的缺点主要是体积较大，而且需添加限 流电阻实现恒流的功能，因此恒流效果较差，现在使用较少【1 0 1 。 电荷泵电路【1 1 , 1 2 】：可以组成降压电路或升压电路，可以借助外部电容通过逻 辑电路、开关管阵列、振荡器、比较器等电路来实现电压变换，如图1 1 所示。 左图为1 2 倍降压电路，当开关s l s 4 状态如图所示时，输入电压v i n 向c l 和c 砌 充电；反之，v i n 通过s 4 断开，c l 和c 0 l n 并联向输出端v o u t 供电，当开关工作 在高频状态时，州5 v 缸。右图为2 倍升压电路，当开关s 1 、s 2 状态如图所示 时，输入电压v m 通过s l 和s 2 对c l 充电；反之，v j n 和c l 串联向输出端v 叫供 电并向c 眦充电，当开关工作在高频状态时有v 咖2 。目前，基于电荷泵电路 的l e d 驱动芯片有好几种。如国家半导体公司的l m 3 3 5 4 系列，m a x i m 公司 m a x l 9 1 2 系列和l i n e a rt e c h n o l o g y 的l t c 3 2 0 2 系列。 s 4 ：i 掣= ， v ( _ - 一( - i c i m 一 s 、l 一s 2 1 一c i n 2 倍升压电路 图1 1 电荷泵升压和降压电路 电感式d c d c 电路：电感式驱动电路主要有b u c k 降压电路和b o o s t 升压电 路两种，如图1 2 所示。这里的电路除了采样信号由输出电压变为输出电流之外， 其他结构和传统的恒压控制是一样的。电感式d c d c 驱动器的输出电容和电感 大小与开关管的工作频率成反比，虽然可以通过提高电源的工作频率来减小电源 的体积，但是，开关管的功率损耗会随着工作频率的升高而增加，因此设计的关 键是要折中考虑开关管的损耗和电源的体积【l 引。 如今，采用b u c k 降压电路的l e d 驱动电源芯片有数十种，如l i n e a r t e c h n o l o g y 的l t 3 4 7 4 系列，a d d 公司的a m c 7 1 5 0 系列；而采用b o o s t 升压电 路的l e d 驱动电源芯片也有数十种。如l i n e a rt e c h n o l o g y 的l t 3 4 6 6 系列，安森 4 第一章绪论 美公司的n c p 5 0 0 9 系列，理光公司的r 1 2 1 1 系列等【9 1 。 u u o v ( a ) b u c k 降压电路( b ) b o o s t 升压电路 v o 图1 2b u c k 降压电路和b o o s t 升压电路 开关电源电路：现在开关电源的主要形式是采用含变压器，如图1 3 所示， 它可以分为开关管内置和开关管外置两种。l e d 恒流驱动开关电源除了采样信 号由输出电压变成输出电流之外，电路结构和传统的恒压开关电源大体相同。当 今，集成开关管的电源驱动芯片有上百种，如安森美公司的n c p l 0 0 0 系列，s t 公司的v i p e r 系列，p i 公司的n 吖系列和t o p 系列。而目前，开关管外置的电 源驱动芯片则有上千种，典型的如u c 3 8 4 2 ，u c 3 8 4 3 ，s g 3 5 2 5 等。 图1 3 单片开关电源的电路图 l e d 光源驱动控制中，专用的l e d 驱动芯片i c 也获得了长足的发展，而 驱动i c 将有以下三类的发展趋势：首先是高压工艺生产的d c d cb u c k 芯片， 它的输入电压n 范围为d c 6 0 - - 1 0 0 v ，恒流精度也可以达到1 ，因此可以符合 全部直流l e d 灯具驱动的要求；其次是a c d c 的l e d 灯具高效率谐振半桥 ( l i ) + p f c 拓扑结构驱动i c ，该驱动要求电路简单、使用成本低、且能过 气 l e d 日光灯恒流驱动电源的研究与应用 e m i 、c e 、u l 标准；最后一类i c 是功率因数校正( p f c ) 与脉冲宽度调制( p w m ) 两种平均电流模式控制器组成新的电源驱动。这三种芯片都将广泛应用于下一代 l e d 照明灯具上，进而可以满足l e d 照明灯具对p f c 的要求，要求驱动i c 能 够提高在较低的功率等级时使效率大于9 0 。且这些i c 都要满足短路和过功率 保护、宽电压输入范围、开路保护、总谐波失真低等基本要求【1 4 1 。 1 3 本课题的研究工作 根据l e d 特殊的电学特性，由于其对电流的敏感度要高于对电压的敏感度， 因此l e d 利用恒流驱动更为合适，本课题针对l e d 驱动电路的不足，提出了两 种稳定性较高和成本较低的l e d 恒流式驱动方案，且这两种驱动电路具有结构 简单、效率高、体积小的特点，主要工作包括以下几个方面： 1 首先介绍了l e d 的特性，选择合适的连接方式和驱动方案。 2 分析了互补型两端恒流源结构的工作原理，把它作为线性恒流源部分来 实现恒流控制，以及对输入浪涌保护电路进行了选用，然后搭建了该l e d 纯线 性恒流控制电路并进行实验测试。 3 分析了普通l e d 纯线性恒流控制电路出现的问题，并提出了改进措施， 进而提出了l e d 的恒流驱动方案一，即在输入电路前端利用b o o s t 型有源功率 因数校正电路，来提高输入电源的功率因数并稳定输出电压，利用先恒压，再加 线性恒流的整合方式来实现l e d 的恒流控制，本文还利用m a t l a b 对b o o s t 变换 器进行建模并仿真。 4 为了提高l e d 日光灯驱动电路的灵活性，提出了l e d 的恒流驱动方案 二，即开关电源式恒流源，根据降压( b u c k ) 型开关电源的原理设计相应的电路， 然后提出了非隔离降压( b u c k ) 型开关电源来实现恒流控制，并利用m a t l a b 对 b u c k 变换器进行建模和仿真。 5 对各个硬件电路模块进行设计和调试，并完成对恒流驱动电路各个参 数的计算选用。最后动手制作了这两种驱动电路的样机，应用于t 8 的l e d 日光 灯上，并通电进行实际性能参数的测试，进而分析、验证设计参数。 6 第二章l e d 特性及驱动方式概述 第二章l e d 特性及驱动方式概述 2 1l e d 的特性分析 2 1 1 电学特性 l e d 是由两种不同的半导体( p 型和n 型半导体) 制成p n 结的光电器件， 是一种把电能转换成光能的半导体器件，因此它具备p n 结结型器件的电学特性。 伏安特性是表征l e d 芯片电学性能的主要参数，它表示的是l e d 正向电流与正 向电压的函数关系，l e d 的伏安特性曲线如图2 1 所示【1 5 】： 5 0 4 0 s3 0 蠖 署2 0 目 1 0 0 一一 - - 一一j f - 一 ： ，。一 | - _ ， ； ol2345 正向电压( ” 图2 1l e d 伏安特性曲线 其中横坐标表示l e d 的正向电压，纵坐标表示正向电流。从图2 1 可以很 清楚地发现，l e d 有一个正向开启工作电压，l e d 的平均正向电流随着正向电 压的增大呈现大幅度的线性增长，因此在l e d 正向导通后，微小的正向电压波 动就会引起较大幅度的正向电流的波动。 2 1 2 光学特性 光通量是表征l e d 总光输出的辐射能量，标志着器件的性能优劣。光通量 为l e d 向各个方向发光的能量之和，它与正向工作电流直接相关，关系曲线如 图2 2 所示【1 6 】： 7 l e d 日光灯恒流驱动电源的研究与应用 2 1 5 删 赠 栗 1 o j 0 5 0 7 。 ! z o1 02 03 04 05 0 正向电流( m a ) 图2 2l e d 光通量与正向电流关系 从图2 2 可以看出，随着正向电流的增加，l e d 光通量随之增大，当电流达 到一定值时，光通量也达到饱和。所以保持正向电流的恒定，也就能保证l e d 光通量不变，即l e d 的亮度不发生改变。 。 2 1 3 热学特性 l e d 的光学参数( 如光通量) 与p n 结结温有很大的关系，一般工作在小电 流， 和t 岛，则有： j ，竺卫 ( 3 2 ) “ r l 上式说明，负载电流仅由稳压管的稳定电压u w 和射极电阻r 1 决定，而与输 入电压u i 、负载电阻r l 基本上没有关系，故可作为恒流源。在负载的变动范围 确定后，可得两端恒流源电路的最小输入电压u i 曲和最大输入电压u i m 找。 当负载电阻r l 值最大时，其上的电压降u f i 风也最大，这时要求输入电 压u i 和u l 之差不能低于两端恒流源的起始电压u s ( 即恒流源开始进入恒流工 作状态的电压) ，由于 v s = + 锄l n i n r( 3 3 ) 所以，为使恒流源正常工作的最小输入电压为 q 曲吒+ t 岛m i l l 恐( 3 4 ) 而当r l - - 0 时，则因电源电压完全加到恒流源的两端，所以这时的输入电压 不能高于恒流源的击穿电压u b ，由图3 2 得 = u c e 一+ 一 ( 3 5 ) 其中m 瓤是l 1 l 集一射极最高允许电压( 它比晶体管的召玑聊要小) 。由 此可确定两端恒流源的最高输入电压u i 瑚x ，即 q 一 7 4 8 0 h z 以上的高频信号有明显的抑制作用，因 此可以有效滤除电网输入电压中的高频干扰分量。 3 3 2 驱动保护电路的设计 电网输入中除了含有高频干扰信号之外，还有外界环境的干扰比如雷击的感 应，也会使电网混杂各式各样的浪涌信号，有的浪涌信号甚至会导致驱动电路或 者l e d 的损坏，而一般电子器件和l e d 抗浪涌电流和抗瞬间高压的能力都比较 差，故加强这方面的保护也非常重要【2 6 j 。因此为了保护l e d 而不被损坏，l e d 驱动控制电路要有抑制浪涌的侵入的能力。因此本文提出的l e d 驱动电路添加 了浪涌的保护电路，采用n t c ( 负温度系数热敏电阻) 来限制电流的突变，利 用t v s ( 瞬态电压抑制器) 来抑制瞬间高压。 第三章l e d 纯线性恒流驱动电路设计 ( 1 ) n t c 保护 交流输入电压首先经过干扰滤波网络，再通过桥式整流器变成脉冲直流，然 后通过一个大容量的电解电容器进行滤波，最后输出直流进而直接提供给负载或 者经过d c d c 转换器输出。在对电解电容进行充电时容易产生输入浪涌电流， 它的大小主要由起动上电时输入电压的幅值以及由整流器和电容所形成回路的 总电阻决定。假如在交流输入电压的峰值瞬间起动，就会出现峰值输入浪涌电流。 为了有效地抑制开机时的浪涌电流，可以在输入电路中可以串联一个n t c 热敏电阻器来抑制开机时的浪涌电流，并且在n t c 完成抑制浪涌电流作用以后， 因为通过其电流的持续作用，n t c 的电阻值将下降到非常小的程度，因此它消 耗的功率可以忽略不计，不会对正常的工作电流造成影响。而且n t c 还具有体 积小，功率大，抑制浪涌电流能力强的优点，因此n t c 保护是保证驱动电路及 l e d 免遭浪涌电流破坏最简单有效的方法，符合l e d 驱动电路的要求。 本电路选用的负温度热敏电阻是n t c5 d 1 1 ，它的直径1 l m m ，额定零功率 电阻值r 2 5 = 5q ，最大稳态电流达到4 a ，且最大电流时它的近似电阻值降到 0 2 8 8q ，消耗的功率可以忽略不计，不会对正常的工作电流造成影响。 ( 2 ) t v s 保护 为了有效抑制电网带来的过载脉冲和感应雷电的高压脉冲，本驱动电路在电 源输入端并联了瞬态电压抑制二极管t v s ，用以保护整流桥及负载中所有的元 器件。瞬态电压抑制二极管( t r a n s i e n tv o l t a g es u p p r e s s o r ) 简称t v s ，是种二 极管形式的高效能保护器件。当t v s 二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时， 它能以l p s ( 1 0 。1 2 s ) 量级的速度，通过瞬间将其两极间的高阻抗变为低阻抗来 吸收高达数千瓦的浪涌功率，并使两极间的电压箝位于一个预定值，可以有效地 保护电路中电子元器件而避免受到各种浪涌脉冲的损坏。 本电路是在2 2 0 v 交流输入端处加双向t v s 管来抑制电网中尖峰干扰，根据 t v s 的特性参数，双向t v s 管d 1 的w m = 2 2 0 v x l 4 = 3 0 8 v e 右，本文所选 用的t v s 型号为：p 6 k e 3 5 0 c a ，其电压参数为：u r w l v l = 3 0 0 v 、u b 萨3 3 2 3 6 8 v 和u c = 4 8 2 v ；电流参数：i f = l m a i p p = 1 3 a i r = 5 衅，功率：p p p m = 6 0 0 w ，这样可 以将输入电压维持在t v s 最大承受范围之内，当出现电压高于t v s 击穿点的瞬 间高压的现象时，可以瞬间让电流流经t v s ，进而保护l e d 照明灯具。 1 9 l e d 日光灯恒流驱动电源的研究与应用 综合上述的参数设计，本文提出的l e d 纯线性恒流驱动电路如图3 6 所示： j l _ 。品，0 1 。赫 i l e d l 奄j f 1 _ 8 1 c5 d - 1 1 1 1 2 一广1 _ l e d 2 1 嘧2 产 卜、 u i9 c ) 。 瑚e d l 0 2n u ( 在 _ _ - 一 2 0 m 8 。搿m 三 a 卜551一 z 2 1 懒a c ) j 1 0 0 c ，c 2 ：00 2 a f= l t v s _ 隙1i 4 0 0 v1 n f - 猢f 0 6i 2 0 u f l 印1 9 4 1嘧j p j ll jl 图3 6l e d 纯线性恒流驱动电路 3 4 纯线性恒流驱动电路测试结果分析 按照图3 6 所示进行接线搭建l e d 纯线性恒流驱动电路，图中，z l 、z 2 、 q 1 、q 2 、r 1 、i 匕构成线性恒流源，保证流过每只白光l e d 的电流相同，得到 均匀的亮度。l e d 驱动电源采用市电滤波后直接整流滤波，得到控制l e d 的直 流工作电压，无需升压或降压处理，故电源驱动电路简洁。所使用的l e d 是高 亮度的白光l e d ，利用9 4 个l e d 灯珠组成l e d 串( 图中只画出了一串l e d 示 意，实际会根据应用场合和需求分别并联2 3 组这样的l e d 串和恒流源) 。 通过调节自耦变压器改变电压以模拟电网电压的变化，测试此纯线性恒流控 制电路的在实际电网中的工作特性，观察l e d 的工作电流是否会随着外部电压 的波动而发生大的波动，并对此电路在不同电压下的效率、l e d 的结温和l e d 日光灯的照度衰减情况进行了实际的测试。 3 4 1l e d 正向电流与输入电压的关系曲线 经实验测试，绘出单串l e d 的正向电流与输入电压关系曲线如图3 7 所示： 第三章l e d 纯线性恒流驱动电路设计 鼍 爻 焉 。 墨 2 2 02 2 52 3 02 3 5 2 4 02 4 52 5 0 u i ( a c ) v 图3 7 电源电压与l e d 电流的关系曲线 电源输入交流电压u i 从2 2 0 v 增大到2 5 0 v 时，整流后的直流电压由3 1 0 v 变为3 5 0 v ，而单串l e d 的正向工作电流i f ( 1 e d ) 由2 0 m a 变化到2 1 5 m a ，只 变化了1 5 m a 。因此可看出，当电源电压u i ( a c ) 从2 2 0 v 增大到2 5 0 v 时，电 路恒流效果好，由l e d 的电学特性可知，进而保证了l e d 日光灯亮度的稳定【2 7 。 3 4 2 输入电压变化对驱动电路参数的影响 当交流输入电压u i ( a c ) 士1 0 变化时，即输入电压在2 0 0 。2 5 0 v 范围变化 时，测试l e d 串两端的总电压u ( 1 e d ) 和恒流控制电路两端的电压u ( 恒) 变 化，实验测试结果如图3 8 所示。 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 o o = 1 5 0 1 0 0 5 0 0 d _一卜ui(dc) + u ( 1 e d ) + u ( 恒) 。：r t ，_ 毋 、 _ i 卜 凝 鹱 掣 2 0 02 0 52 1 0 2 1 5 2 2 02 2 52 3 0 2 3 5 2 4 0 2 4 5 2 5 0 2 0 02 0 52 1 02 1 52 2 02 2 52 3 02 3 52 4 02 4 52 5 0 u i ( a c ) v u i ( a c ) v 图3 8 输a g 压对电路的影响 图3 9 输入电压与电源效率关系 从图3 8 - - j p a 看出，当电源输入电压在2 0 0 v 2 2 0 v 区间时，通过整流滤波 后的直流输入电压u i ( a c ) 大部分都加载在l e d 串的两端，而恒流源两端的电 压u ( 恒) 较小；当电源输入电压高于2 2 0 v 时，随着输入电压增加，l e d 两端 2 1 鲇5；踮踟2加莳印 l e d 日光灯恒流驱动电源的研究与应用 的电压u ( 1 e a ) 基本保持不变( 2 9 1 v 左右) ，而恒流源两端的电压升高，输入 电压增加的部分基本上由恒流控制电路的电压u ( 恒) 承担，这保证了单个l e d 的正向电压( 3 1 v ) 和电流基本不变，保证了电流及发光量的基本稳定。 图3 9 所示是随着输入电压变化，电源效率的变化情况。从图3 9 可以看到， 输入电压经整流后，形成的直流电压由l e d 灯珠串与线性恒流源分压，l e d 灯 珠串上的分压越多，表明输入电压的效率越高，由图3 9 可看出本l e d 驱动电 路的电源效率较高，但是当电源电压较高时，该驱动电路的效率会下降。 l e d 的光衰与结温有很大关系，当结温升高时正向电压下降，结电压下降 导致电流增大，增大的电流反过来又引起结电压下降，形成一个恶性循环。结温 是光衰的一个重要原因，结温越高越早出现光衰，寿命越短。因此结温的变化也 是考察一个驱动电路的重要指标，本文利用正向电压法来测量结温，即通过测量 恒定驱动电流下的正向电压来确定结温的，其结温计算公式为【2 8 】： 矿一1 厂 。乃( 脚) = 瓦+ 孚 ( 3 1 2 ) a 其中，t j ( 表示l e d 的结温，t o 是环境温度( 2 0 0 c ) ，v o 是l e d 的初始 电压，v t 是l e d 的热平衡后的正向电压( 1 小时后测定) ，k 是l e d 的温度系 数( - 2 m v o c ) ，测量时改变输入电压，在不同输入电压下，先测量l e d 两端初 始总电压，该电压为u ( 1 e d 初) ，过一个小时，在同等条件下再次测量l e d 总 电压，该电压为u ( 1 e d 末) ，将u ( 1 e d 初) 除以总l e d 个数即可得单个l e d 的初始正向电压，将u ( 1 e d 末) 除总l e d 个数即可得单个l e d 的热平衡后 的电压v o ，带入公式( 3 1 2 ) 求得l e d 的结温，实验结果如图3 1 0 、3 1 1 所示。 2 9 4 2 9 3 2 8 6 2 2 02 2 52 3 02 3 52 4 02 4 52 5 0 u i ( a c ) v 4 0 3 5 ，3 0 含2 5 皇2 0 = 1 5 1 0 5 2 2 02 2 52 3 02 3 52 4 02 4 52 5 0 u i ( a c ) v 图3 1 0 不同输入电压下l e d 的电压图3 n 不同输入电压下l e d 的结温 2 1 0 9 8 7 9 9 9 8 8 8 2 2 2 2 2 2 人一pa【一f1 第三章l e d 纯线性恒流驱动电路设计 从图3 1 0 可以看出，电源输入电压u i ( a c ) 不同，但l e d 两端的电压基 本保持不变，而且过一个小时其电压变化量也很小，且在这个时间段内结温低， 单个l e d 的结温基本不变或微小变化，所以此恒流源控制电路能保证l e d 的结 温基本稳定且较小，因此可以减少光衰，有效提高l e d 日光灯的使用寿命。 3 4 3l e d 日光灯照度的测量 接下来考察该l e d 日光灯光衰情况，即考察l e d 日光灯的光通量随时间的 变化情况。因为照度与光通量成正比，所以照度随时间的变化情况也可以作为 l e d 光衰的考察手段，且照度的测量较为方便。 本文使用两组图3 6 所示的l e d 灯珠串和恒流源制作成了纯线性恒流驱动 的l e d 日光灯，即用1 8 8 颗u d 组成约1 2 w 的l e d 日光灯，灯管用的是1 2 米长的t 8 管半铝半p v c 管，将两条上述的l e d 日光灯一起安装在室内日光灯 座上，并正常点亮进行实验测试，利用台湾泰仕仪器公司的照度计( t e s l 3 3 2 a ) 对它们进行照度测量，通过在距离l e d 日光灯正下方2 2 1 米处一平方米范围内 固定9 个采集点来采样9 个照度值，再取它们的平均值作为该时段的照度值，并 在同样条件下测量两根普通约4 0 w 的日光灯的照度值，考察他们各自的光衰情 况，测量时间从2 0 1 0 年5 月2 0 1 1 年2 月，每隔一个月测量一次照度值，分别 测得的