白光LED照明驅動選擇及其主要電路結構設計

　　發(fā)光二極管和普通二極管一樣是一種用半導體材料制作的P / N 結器件,除了能發(fā)光之外,其他特性和普通二極管相似。發(fā)光二極管主要有兩個特點：

　?、賳蜗驅щ娦?。發(fā)光二極管和普通二極管一樣具有單向導電的特性,即在發(fā)光二極管的正極加正電壓,負極加負電壓時發(fā)光二極管導通發(fā)光,相反則不導通也就不能發(fā)光。這就決定了發(fā)光管必須使用直流電源或者單向脈動電源供電;

　?、诎l(fā)光二極管有負溫度系數的勢壘電勢。發(fā)光二極管上施加的正向電壓低于某個電壓值時發(fā)光二極管不導電,但外加電壓一旦超過這一電壓值時發(fā)光二極管的電流就會隨著外加電壓的變化急劇增加,對外電路呈現很低的動態(tài)電阻,這一電壓值就是發(fā)光二極管的勢壘電勢,不同顏色的發(fā)光管其勢壘電勢不同。

　　2 LED 的直流驅動和脈沖驅動選擇

　　發(fā)光管發(fā)光靠電能激發(fā),不管是直流驅動還是脈沖驅動,輸入的電能量決定了輸出的光能量,脈沖驅動不可能使發(fā)光管提高光效,相反,應該是直流驅動光效更高。因為發(fā)光管的輸入電流過大光通量隨電流增加的速度將變緩,發(fā)光管的管小降低。另外,過大的電流還會引起發(fā)光管發(fā)射的光譜向長波方向偏移,對于白光發(fā)光管來說,這將導致激發(fā)熒光粉效能的降低, 使光效下降。所以, 脈沖驅動不可能使發(fā)光管省電,但設計合理的脈沖驅動器也不會明顯的引起光效的下降,因此也就不會比直流驅動更明顯的費電。但是脈沖驅動器常常具有電路結構簡單生產成本低的特點,所以還是值得使用。因此,究竟用脈沖驅動還是用直流驅動要根據具體情況而定。如果用脈沖驅動發(fā)光管,一般不會縮短發(fā)光管的使用壽命發(fā)光管是一種量子器件適合高速工作,這正是發(fā)光管的優(yōu)點之一。如果有閃爍使用的發(fā)光管頻頻損壞,那應該是其他方面的原因引起的電流過大等等,而不會是發(fā)光管自身不耐閃爍。一般的驅動技術不但受輸入電壓范圍的限制,而且效率低.在用于低功率的普通LED 驅動時,由于電流只有幾個MA, 因此損耗不明顯當用作電流有幾百MA 甚至更高的高亮LED 的驅動時,功率電路的損耗就成了比較嚴重的問題。

　　3 主電路結構設計

　　3.1 開關電源的應用與發(fā)展

　　以高頻變壓器取代工頻變壓器,采用脈沖調制技術的直流一直流變換器型穩(wěn)壓電源,通常稱為開關電源。它具有管耗小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬及體積小、重量輕等特點, 目前已在各種電子儀器和設備、航空和宇宙飛行器、發(fā)射機、電子計算機、通訊設備和電視機、錄放機中得到了應用。開關晶體管、開關二極管和開關變壓器是組成開關電源的三個關鍵元件,減小開關電源的體積和重量就須提高電源的開關頻率,大功率,高反壓和高速開關晶體管,快速恢復開關二極管以及開關電源變壓器中使用的高頻,低損耗磁性材料的技術發(fā)展,使開關電源的開關頻率從數十kHz 發(fā)展到數百kHz。開關電源的基本電路由“交流一直流轉換電路”、“ 開關型功率變換器”、“ 控制電路” 和“整流濾波電路”等組成(見圖1)。輸入的電網電壓通過“交流一直流轉換電路" 中的整流器和濾波器轉換成直流電,該直流電源作為“開關型功率變換器"的輸入電源,經過“開關型功率變換器”將直流電轉變?yōu)楦哳l脈沖方波電壓輸給“整流濾波電路”,變成平滑直流供給負載,控制電路則起著控制“開關型功率變換器”工作的作用。

　　開關型功率變換器是開關電源的主電路,開關電源的能量轉換,電壓變換就由它來承擔。在直流變換器的基礎上,由于高頻脈沖技術及開關變換技術的進一步發(fā)展,出現了推挽式開關型功率變換器,全橋式功率變換器,半橋式功率變換器, 單端正激式功率變換器,單端反激式功率變換器,快速磁放大器式開關型功率變換器等。其控制方式可分為脈沖寬度調制(PWM)和脈沖頻率調制(PFM)兩種。

　　3.2 功率開關原件設計

　　開關電源中的功率開關元件主要是功率晶體管、功率MOSFET、功率IGBT。本設計中選功率三極管E13007,

　　同時配上散熱片。開關頻率定為40kHz。

　　3.3 高頻變壓器的分布參數

　　開關變壓器傳遞的是高頻方波電壓,在瞬變過程中,漏感和分布電容會引起浪涌電流和尖峰電壓及脈沖頂部震蕩,造成損耗增加,嚴重會造成開關管損壞,因此應加以控制。在輸出為高壓,輸出繞組匝數多,層數多時應考慮電容帶來的危害,一般的設計主要考慮漏感的影響。同時,降低分布電容有利于抑制高頻信號對負載的干擾。一般根據開關電源電路的要求提出漏感和分布電容限定值,在變壓器的線圈結構中實現,而趨膚效應影響則作為選擇導線規(guī)格的條件之一。變壓器的漏感主要為勵磁電感,、原邊漏感、副邊漏感：,如圖3.14 所示。其中勵磁電感LM 很大,并且與原邊繞阻并聯(lián),因此可以忽略。副邊的漏感：折合到原邊,和原邊的漏感和為變壓器的等效漏感。

　　任何金屬件之間都有電容存在,如果這兩金屬件之間電位處處相等,這樣形成的電容成為靜電容。在變壓器中,繞組線匝之間, 同一繞組上下層之間,不同繞組之間,繞組對屏蔽層之間沿著某一線長度方向的電位是變化的,這樣形成的電容就不同于靜電容,成為分布電容。變壓器分布電容由以下部分組成：原副邊繞阻之間電容C,原副邊繞阻各層之間電容C、C,原副邊各匝間及對鐵芯或屏蔽層的電容。開關電源變壓器通常每層繞組有較多匝數,每層匝間總電容為每匝電容串聯(lián),遠小于層間電容,故匝間電容,可忽略不計。折合到原邊后則比：大的多因此C,和C2 可以忽略。在各分布電容中C,起著主導作用,將其折合到原邊用CP 表示。因此得到簡化后的變壓器的等效電路圖, 如圖2所示。

　　它由等效漏感、等效電容C,和理想變壓器組成。減小漏感可采用一下措施：①減小繞組匝數,應采用高飽和磁感應強度,低損耗的磁性材料;②減少繞組厚度,增加繞組高度;④盡可能減少繞組間絕緣厚度;④初、次級繞組采用分層交叉繞制;⑤對于環(huán)形磁性變壓器,不管初次級匝數多少均應沿環(huán)形圓周均勻分布。當次級繞組匝數很少時,宜采用多個繞組并聯(lián)的方法; ⑥初、次級繞組雙線并繞。

　　3.4 導線材料及絕緣問題

　　3.4.1 導電材料選用

　　電子變壓器用導電材料包括繞組用導線和引出線兩部分。電子變壓器使用銅導線。導線的特性取決于外包或外涂的絕緣材料的特性。因此,電子變壓器在選用繞組線和引出線時,選擇導線的主要依據是導線的絕緣材料性能。由此可見,導線的絕緣材料性能決定了導線的應用性能。選擇導線材料時,要考慮以下幾點：

　　(1)工作溫度,繞組線和引出線有不同的使用溫度,應按變壓器的最高工作溫度來選擇符合要求的導電材料。

　　(2)工作電流,這是選擇導線直徑的基本依據。

　　(3)工作頻率,在高頻下由于集膚效應和鄰近效應的影響使導線的損耗電阻增加,選擇導線必須考慮減小這種影響。

　　(4)導線直徑小于兩倍穿透深度。當導線要求的線徑大于由穿透深度決定的最大有效直徑時,應采用小直徑的導線并繞或采用多股導線。大電流繞組最好能采用寬而薄的扁銅帶,銅帶厚度應小于穿透深度的兩倍。

　　3.4.2 絕緣問題

　　絕緣材料是電子變壓器的重要材料之一,電子變壓器的使用壽命和可靠性等在很大程度上取決于變壓器的絕緣系統(tǒng)和所使用的絕緣材料的性能。高壓變壓器的絕緣包括高壓邊對原邊的絕緣、高壓邊對鐵心的絕緣、高壓邊端部的絕緣。提高絕緣一個困難在于高頻變壓器的體積較小, 絕緣距離受到限制;另一個困難在于提高絕緣強度和降低漏感是一對矛盾,提高絕緣強度要求高壓邊對原邊及對鐵心的距離越近越好。同時,為了降低變壓器的分布電容,絕緣材料的介電常數一定要小。選擇絕緣材料時,以下幾點必須考慮：①耐熱性,應按電子變壓器的最高工作溫度選擇具有相應耐熱等級的絕緣材料;②防水性,工作在濕熱環(huán)境下的電子變壓器應選擇防水性優(yōu)良的絕緣材料;③耐電暈性,高壓變壓器要求絕緣材料有良好的耐電暈性;④電絕緣性,包括擊穿電壓、介電性能、體積電阻、表面電阻、介質損耗等。應按變壓器絕緣系統(tǒng)的要求選擇相應的絕緣材料。

　　4 結語

　　發(fā)光二極管作為一種新型照明光源正在獲得越來越廣泛的應用。半導體照明(semi-conductor lighting)是未來照明領域重要的發(fā)展方向,半導體照明與一般光伏電源配用的節(jié)能燈泡相比具有節(jié)能、長壽、安全、環(huán)保、色彩豐富、體積小、耐閃爍、可靠性高、調控方便等諸多優(yōu)點。