大功率LED照明恒流驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

在當(dāng)今全球能源緊缺的環(huán)境下，節(jié)約能源已成為大勢(shì)所趨。同時(shí)，國(guó)家也大力倡導(dǎo)節(jié)能減排，已結(jié)束的2008年北京奧運(yùn)會(huì)和即將到來的2010年上海世博會(huì)都不約而同地以綠色節(jié)能為主題，這就給中國(guó)LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的歷史機(jī)遇。大功率LED具有光效高、低功耗、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性高、光色純、安全性好、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，正逐步取代以往的光源，開始廣泛運(yùn)用于全彩顯示屏、交通信號(hào)燈、汽車車燈、背景光源、景觀照明、特種工作照明等，成為照明領(lǐng)域的新一代綠色光源。據(jù)國(guó)內(nèi)有關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，在奧運(yùn)、世博的強(qiáng)力帶動(dòng)下，中國(guó)LED照明市場(chǎng)規(guī)模將從2007年的48.5億元快速增長(zhǎng)至2010年的98.1億元。有關(guān)專家分析認(rèn)為，中國(guó)LED照明產(chǎn)業(yè)將在2010年前后迎來新的發(fā)展高峰。

問題的提出
一般來說，大功率LED的功率至少在1W以上，目前比較常見的有1W、3W、5W、8W和10W。其被稱為“綠色光源”，正朝著大電流（300mA～1.4A）、高效率（60～120lm/W）、亮度可調(diào)的方向發(fā)展。然而，大功率LED的發(fā)光強(qiáng)度是由流過LED的電流決定的，電流過強(qiáng)會(huì)引起LED的衰減，電流過弱會(huì)影響LED的發(fā)光強(qiáng)度，因此LED驅(qū)動(dòng)需要提供恒流電源，以保證大功率LED使用的安全性，還需要滿足預(yù)期的亮度要求，并保證各個(gè)LED亮度、色度的一致性。所以，傳統(tǒng)上用于驅(qū)動(dòng)燈泡(鎢絲)、日光燈、節(jié)能燈、鈉燈等光源的電源并不適合直接驅(qū)動(dòng)大功率LED。用市電驅(qū)動(dòng)大功率LED也需要解決降壓、隔離、PFC（功率因素校正）和恒流問題，還需有較高的轉(zhuǎn)換效率。

目前，市場(chǎng)上有上千款關(guān)于大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)的專用芯片，國(guó)內(nèi)有廣鵬 (ADDtek)、點(diǎn)晶(SITI)、晶(SCT)、華潤(rùn)矽威(PT)，國(guó)外有美國(guó)的超科(Supertex)、德州儀器（TI）、美信、國(guó)半、英國(guó)的捷特科（Zetex）等知名廠家。大多專用芯片采用遲滯型轉(zhuǎn)換器，低電壓輸入范圍，可升壓、可降壓、PWM控制、功率開關(guān)可內(nèi)置或外置、輸出電流可以達(dá)到1.5A，內(nèi)置過壓、欠壓、開路/短路和溫度保護(hù)電路等。

如圖1所示，遲滯型轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵特點(diǎn)是自振蕩，這意味著頻率將隨輸入電壓、LED電流和驅(qū)動(dòng)LED數(shù)量的變化而變化。然而，這種轉(zhuǎn)換器經(jīng)常運(yùn)行在連續(xù)模式下，這意味著電感永遠(yuǎn)不會(huì)飽和，也不會(huì)完全耗盡電流，MOSFET關(guān)斷后還繼續(xù)有電流維持LED亮度。但缺點(diǎn)是占空比和頻率不斷改變的情況下檢測(cè)電阻RCS呈現(xiàn)的阻抗是不一樣的，流經(jīng)RCS的電流和LED實(shí)際電流相比不完全一致，檢測(cè)數(shù)據(jù)存在偏差。

圖1 遲滯型轉(zhuǎn)換器

在大功率LED照明工程領(lǐng)域中，需要100W以上大功率的恒流驅(qū)動(dòng)電源，同時(shí)要求較高的效率和功率因數(shù)，目前市場(chǎng)上的E27、B22和GU10燈頭用LED驅(qū)動(dòng)電源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大功率LED照明工程領(lǐng)域。

大功率LED的驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)考慮
從照明燈具發(fā)展歷史來看，幾乎沒有采用隔離方式。隔離方式設(shè)計(jì)勢(shì)必影響燈具驅(qū)動(dòng)效率，也不符合未來節(jié)能降耗要求，所以LED照明不一定要采用隔離方式設(shè)計(jì)。

在大功率LED的串聯(lián)數(shù)量方面，流經(jīng)大功率LED的電流不再受大功率白光LED串聯(lián)數(shù)量的限制。為了滿足不同的發(fā)光亮度需求，通過靈活地驅(qū)動(dòng)多個(gè)大功率LED就可以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于大功率白光LED的并聯(lián)使用，該類電路仍無法保證并聯(lián)分支LED的發(fā)光亮度一致性。但可以使用多個(gè)相同恒流電源，分路驅(qū)動(dòng)不同的并聯(lián)分支LED，這樣就保證了并聯(lián)分支LED屬性一致性，從而可以解決發(fā)光亮度一致性的問題。

采用全部串聯(lián)方式要求LED驅(qū)動(dòng)器輸出較高的電壓。當(dāng)LED的一致性差別較大時(shí)，分配在不同LED兩端的電壓不同，但通過每顆LED的電流相同，LED的亮度一致。如采用恒流式LED驅(qū)動(dòng)，當(dāng)某一顆LED品質(zhì)不良短路時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)器輸出電流保持不變，不影響余下所有LED正常工作。當(dāng)某一顆LED品質(zhì)不良斷開后，串聯(lián)在一起的LED將全部不亮。解決的辦法是在每個(gè)LED兩端并聯(lián)一個(gè)齊納管，不過，齊納管的導(dǎo)通電壓要比LED的導(dǎo)通電壓高，否則LED就不亮了。如廣鵬 (ADDtek)的大功率LED保護(hù)器A716、AMC7169和A720，分別是350mA、500mA和700mA LED保護(hù)器。如圖2所示，使用時(shí)將其與大功率LED并聯(lián)。

電源失效時(shí)負(fù)載斷開，這種功能在下列兩種情況下至關(guān)重要，即斷電和PWM調(diào)光。如圖2所示，在升壓轉(zhuǎn)換器斷電期間，負(fù)載仍然通過電感和二極管與輸入電壓連接。這樣即使電源已經(jīng)失效，還會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生一個(gè)小泄漏電流，極大縮短了LED的壽命。負(fù)載斷開在PWM調(diào)光時(shí)也很重要。在PWM空閑期間，電源已經(jīng)失效，但是輸出電容器仍然與LED連接，它會(huì)通過LED放電，直到PWM脈沖再次打開電源。實(shí)施負(fù)載斷開電路時(shí)，最好在LED和電流傳感電阻器之間放置一個(gè)MOSFET。在路燈照明設(shè)計(jì)中,一般要求白天有自動(dòng)關(guān)閉功能,可以在電路中間增加光敏電阻,在白天光線照射下阻值改變使那個(gè)MOSFET停止工作，當(dāng)然也可以使后級(jí)DC/DC停止工作。

圖2 大功率LED保護(hù)器

在許多情況下，利用低頻(50～200Hz)PWM方式調(diào)節(jié)LED電流非常方便，通過控制脈沖寬度來調(diào)節(jié)亮度。這種調(diào)節(jié)方法的優(yōu)點(diǎn)在于光譜保持不變，而采用幅度調(diào)節(jié)時(shí)，光譜會(huì)隨著流過LED電流的變化而改變。一般來說，低頻PWM調(diào)光電路的效率比線性LED調(diào)光電路更高。在路燈照明設(shè)計(jì)中,一般需要在半夜某時(shí)將路燈照度減低一半,節(jié)能降耗。可以在電路中間增加定時(shí)器，到時(shí)間輸出50%占空比即可功率減半。

防水設(shè)計(jì)，按使用環(huán)境分為戶外、戶內(nèi)。目前的防水電源大多是以環(huán)氧樹脂作為防水密封填充材料，顏色主要為黑色，當(dāng)然也有白色以及其他一些顏色。有少數(shù)廠家采用了其他的防水填充材料。重要的是它要能經(jīng)得起高溫、冷凍、雨水以及一些腐蝕性物質(zhì)的浸襲。

100W的LED路燈可以替代250W的高壓鈉燈，或300W的水銀燈。100W的LED路燈,其輸出光通量大約為6 250lm(經(jīng)過二次光學(xué)設(shè)計(jì),會(huì)有所損失)，到達(dá)路面時(shí)的流明數(shù)仍為6000，而路面的平均照度可以達(dá)到16Lux(桿高12m)。250W高壓鈉燈的輸出光通量為20 000lm，但到達(dá)路面的流明數(shù)就只有7000，路面的照度大約為30～40Lux。由于顯色系數(shù)的差別,LED的照度修正系數(shù)為2.35倍，高壓鈉燈的修正系數(shù)為0.94倍。所以，100W的LED經(jīng)過修正以后，地面的照度為37.6Lux，而高壓鈉燈修正后的照度為28.2～37.6Lux，二者相當(dāng)。所以，100W的LED路燈可以取代250W的高壓鈉燈，LED路燈可以節(jié)能60%。