大功率LED照明恒流驱动电源的设计

2009年10月15日 17:10    贾延安
关键词: LED , 大功率 , 电源 , 驱动 , 设计
作者:中国电子科技集团公司第13研究所 何占伟 河北汇能电力电子有限公司 赵智霞 河北汇能欣源电子技术有限公司 王志本  日期:2009-9-2

在当今全球能源紧缺的环境下,节约能源已成为大势所趋。同时,国家也大力倡导节能减排,已结束的2008年北京奥运会和即将到来的2010年上海世博会都不约而同地以绿色节能为主题,这就给中国LED照明产业的发展带来了巨大的历史机遇。大功率LED具有光效高、低功耗、寿命长、稳定性高、光色纯、安全性好、可控性强等优点,正逐步取代以往的光源,开始广泛运用于全彩显示屏、交通信号灯、汽车车灯、背景光源、景观照明、特种工作照明等,成为照明领域的新一代绿色光源。据国内有关机构预测,在奥运、世博的强力带动下,中国LED照明市场规模将从2007年的48.5亿元快速增长至2010年的98.1 亿元。有关专家分析认为,中国LED照明产业将在2010年前后迎来新的发展高峰。

问题的提出

一般来说,大功率LED的功率至少在1W以上,目前比较常见的有1W、3W、5W、8W和10W。其被称为“绿色光源”,正朝着大电流(300mA~1.4A)、高效率(60~120lm/W)、亮度可调的方向发展。然而,大功率LED的发光强度是由流过LED的电流决定的,电流过强会引起LED的衰减,电流过弱会影响LED的发光强度,因此LED驱动需要提供恒流电源,以保证大功率LED使用的安全性,还需要满足预期的亮度要求,并保证各个LED亮度、色度的一致性。所以,传统上用于驱动灯泡(钨丝)、日光灯、节能灯、钠灯等光源的电源并不适合直接驱动大功率LED。用市电驱动大功率LED也需要解决降压、隔离、PFC(功率因素校正)和恒流问题,还需有较高的转换效率。

目前,市场上有上千款关于大功率LED恒流驱动的专用芯片,国内有广鹏 (ADDtek)、点晶(SITI)、晶锜(SCT)、华润矽威(PT),国外有美国的超科(Supertex)、德州仪器(TI)、美信、国半、英国的捷特科(Zetex)等知名厂家。大多专用芯片采用迟滞型转换器,低电压输入范围,可升压、可降压、PWM控制、功率开关可内置或外置、输出电流可以达到 1.5A,内置过压、欠压、开路/短路和温度保护电路等。

如图1所示,迟滞型转换器的关键特点是自振荡,这意味着频率将随输入电压、LED电流和驱动LED数量的变化而变化。然而,这种转换器经常运行在连续模式下,这意味着电感永远不会饱和,也不会完全耗尽电流,MOSFET关断后还继续有电流维持LED亮度。但缺点是占空比和频率不断改变的情况下检测电阻RCS呈现的阻抗是不一样的,流经RCS的电流和LED实际电流相比不完全一致,检测数据存在偏差。

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图1 迟滞型转换器

在大功率LED照明工程领域中,需要100W以上大功率的恒流驱动电源,同时要求较高的效率和功率因数,目前市场上的E27、B22和GU10灯头用LED驱动电源远远不能满足大功率LED照明工程领域。

大功率LED的驱动电源设计考虑
从照明灯具发展历史来看,几乎没有采用隔离方式。隔离方式设计势必影响灯具驱动效率,也不符合未来节能降耗要求,所以LED照明不一定要采用隔离方式设计。

在大功率LED的串联数量方面,流经大功率LED的电流不再受大功率白光LED串联数量的限制。为了满足不同的发光亮度需求,通过灵活地驱动多个大功率LED就可以实现。对于大功率白光LED的并联使用,该类电路仍无法保证并联分支LED的发光亮度一致性。但可以使用多个相同恒流电源,分路驱动不同的并联分支LED,这样就保证了并联分支LED属性一致性,从而可以解决发光亮度一致性的问题。

采用全部串联方式要求LED驱动器输出较高的电压。当LED的一致性差别较大时,分配在不同LED两端的电压不同,但通过每颗LED的电流相同,LED的亮度一致。如采用恒流式LED驱动,当某一颗LED品质不良短路时,由于驱动器输出电流保持不变,不影响余下所有LED正常工作。当某一颗 LED品质不良断开后,串联在一起的LED将全部不亮。解决的办法是在每个LED两端并联一个齐纳管,不过,齐纳管的导通电压要比LED的导通电压高,否则LED就不亮了。如广鹏 (ADDtek)的大功率LED保护器A716、AMC7169和A720,分别是350mA、500mA和700mA LED保护器。如图2所示,使用时将其与大功率LED并联。

电源失效时负载断开,这种功能在下列两种情况下至关重要,即断电和PWM调光。如图2所示,在升压转换器断电期间,负载仍然通过电感和二极管与输入电压连接。这样即使电源已经失效,还会继续产生一个小泄漏电流,极大缩短了LED的寿命。负载断开在PWM调光时也很重要。在PWM空闲期间,电源已经失效,但是输出电容器仍然与LED连接,它会通过LED放电,直到PWM脉冲再次打开电源。实施负载断开电路时,最好在LED和电流传感电阻器之间放置一个MOSFET。在路灯照明设计中,一般要求白天有自动关闭功能,可以在电路中间增加光敏电阻,在白天光线照射下阻值改变使那个MOSFET停止工作,当然也可以使后级DC/DC停止工作。

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图2 大功率LED保护器


在许多情况下,利用低频(50~200Hz)PWM方式调节LED电流非常方便,通过控制脉冲宽度来调节亮度。这种调节方法的优点在于光谱保持不变,而采用幅度调节时,光谱会随着流过LED电流的变化而改变。一般来说,低频PWM调光电路的效率比线性LED调光电路更高。在路灯照明设计中, 一般需要在半夜某时将路灯照度减低一半,节能降耗。可以在电路中间增加定时器,到时间输出50%占空比即可功率减半。

防水设计,按使用环境分为户外、户内。目前的防水电源大多是以环氧树脂作为防水密封填充材料,颜色主要为黑色,当然也有白色以及其他一些颜色。有少数厂家采用了其他的防水填充材料。重要的是它要能经得起高温、冷冻、雨水以及一些腐蚀性物质的浸袭。

100W的LED路灯可以替代250W的高压钠灯,或300W的水银灯。100W的LED路灯,其输出光通量大约为6 250lm(经过二次光学设计,会有所损失),到达路面时的流明数仍为6000,而路面的平均照度可以达到16Lux(杆高12m)。250W高压钠灯的输出光通量为20 000lm,但到达路面的流明数就只有7000,路面的照度大约为30~40Lux。由于显色系数的差别,LED的照度修正系数为2.35倍,高压钠灯的修正系数为0.94倍。所以,100W的LED经过修正以后,地面的照度为37.6Lux,而高压钠灯修正后的照度为28.2~37.6Lux,二者相当。所以,100W的LED路灯可以取代250W的高压钠灯,LED路灯可以节能60%。

如果不进行二次光学设计,LED的照射是比较集中,所以一定要进行二次光路设计,使其光强呈蝙蝠形,照射范围可以达到66m。

主回路设计

大功率LED照明恒流驱动主电路采用优异的BOOST和DC/DC的两级组合方式,具有良好的动态响应和稳流特性,解决了电网的谐波污染问题,使大功率LED驱动电源更加绿色环保。

BOOST采用主动式有源功率因数校正(APFC)电路,工作在连续模式,谐波电流和开关管电压电流应力小。DC/DC采用半桥LLC串联谐振转换器,元器件数量有限,谐振储能(tank)元件能够集成到单个变压器中,因此只需要1个磁性元件。在所有正常负载条件下,初级开关都可以工作在零电压开关(ZVS)条件,而次级二极管可以采用零电流开关(ZCS)工作,没有反向恢复损耗。特别适用于中、高输出电压转换器的高性价比、高能效和EMI 性能优异的解决方案。

传统功率因数校正电路技术复杂、设计步骤繁琐、所需元器件多、体积大而且成本高。因此,设计时往往要在性能和成本之间进行折衷。本设计采用了IR1150,它是一种新型的单周期AC/DC功率因数校正控制芯片,采用了IR公司的专利单周期控制(0ne-cycle control,OCC)技术,无须传统PFC电路所需的模拟乘法器、输入电压采样以及固定的三角波振荡器,大大简化了PFC电路的设计并缩小了装置体积。

半桥LLC串联谐振转换器采用飞兆半导体公司推出的高集成度绿色FPS功率开关FSFR2100。其采用零电压开关(ZVS)技术,能够大幅降低MOSFET和整流器的开关损耗。采用这种技术,此FPS开关无须散热器即可处理高达200W的功率,使用散热器更可处理高达450W的功率。较之于传统的硬开关转换器拓扑,FSFR2100的效率提高了10%。它可以在输入和负载大范围变化的情况下调节输出,同时开关频率变化相对很小。此外,它可以在整个运行范围内实现零电压切换(ZVS)。最后,所有寄生元件,包括所有半导体器件的结电容和变压器的漏磁电感和激磁电感,都是用来实现ZVS的。

照明恒流驱动电源主电路如图3所示,前级APFC实验电路输入电压AC 220V,额定输出DC 380V,开关频率f选择70kHz,后级半桥LLC串联谐振转换器。输出电压范围:DC 300~360V,输出额定电流350mA,谐振频率f0选择100kHz,变压器匝比n=Np/NS=0.6,功率满足150~300W的输出功率范围。主电路依次是85V~264VAC→整流→PFC→380VDC→DC/DC(隔离)恒流→多颗LED串联,APFC可以选用功率因数校正控制器 IR1150、L6562和FAN7527B等,半桥LLC串联谐振转换器选用FSFR2100。

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图3 大功率LED照明恒流驱动电源主电路

关键技术设计

LED照明驱动方式,由于直接将RSET连接FB端会造成RSET的功耗过大,所以功率较小的LED恒流驱动电源往往在FB反馈端和RSET之间放置一个运算放大器以降低功耗。如图4所示,运算放大器获取采样电阻RSET上的电压,结合其他电阻和电容就可以构成一个完整、高效率的大功率LED恒流驱动电路。这样就能在确保LED获得恒流供电的同时,将RSET的功耗降低到可以接受的水平,从而使LED两端的电压尽可能大,流经的电流也尽可能大。

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图4 功率较小的LED恒流驱动


大功率LED恒流驱动电源采用先稳压,再限流的混合方式。为适应负载需要,电压需要保证在一定范围内。LED的Vf值在3~3.6V之间,那么按LED实际数量即可确定电源部分需要调整的电压范围。大功率LED恒流驱动如图5所示,设定稳压源的最大设定值VSET(比如DC360V),设定稳流源的设定值ISET(300mA~1.4A),采样RSET上的电压,若超过稳流源的设定值时,则输出电压相应下降,根据LED灯串联数量的多少,输出电压可降至最小值(如DC 300V)。

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图5 大功率LED恒流驱动


开关调节控制模式与电阻限流方式相比,电路成本较高;控制环路可准确调节LED电流;可实现幅值和低频PWM调节;能够实现LED特性的自动温度补偿;宽输入电压范围;基本上不需散热器,可节省成本,对于高输入电压和大工作电流,其他驱动方案会导致非常高的损耗,然而此模式仍能保持高效工作。

技术指标

根据上述设计方案,大功率LED照明恒流驱动电源的主要技术指标为:输入电压85~264V;频率47~63Hz;输出功率 100W;输出电流:350mA±5%或700mA±5%;输出方式:多颗1W以上大功率LED串联方式;输出电压范围:DC 300~360V,效率≥90%,功率因数≥0.99,谐波≤5%,稳流精度≤5%;具有定时、调流、关机功能;具有过压、过流、短路和过温保护功能;全密封,防水要求IP65,外型尺寸(L×W×H)=185mm×70mm×45mm,重量1.5kg。工作温度-40~+70℃,储存温度 -50~+85℃,符合相关安规、ROHS和电磁兼容标准、防雷设计(ICE-61000-4-5 Class 4)。较好地满足了照明工程的要求。
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liuxh0_0 发表于 2014-10-16 20:52:14
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