一種新型的白光LED恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究

張小潔， 張文新， 李 梅

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 咸陽(yáng) 712000; 2.中國(guó)人民解放軍96512部隊(duì), 陜西 寶雞 721000)

0 引 言

近年來，白光LED因其高效、節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)逐漸在照明領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)開始替代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)照明光源，成為21世紀(jì)的新一代照明光源.大功率白光LED產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展有力地推動(dòng)了LED驅(qū)動(dòng)集成電路產(chǎn)業(yè)的前進(jìn)，孕育著巨大的商機(jī).

由于LED是特性敏感的半導(dǎo)體器件，又具有負(fù)溫度特性，因而在應(yīng)用過程中需要對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定工作狀態(tài)和保護(hù)，從而產(chǎn)生了驅(qū)動(dòng)的概念.LED器件對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求近乎于苛刻，LED不像普通的白熾燈泡，可以直接連接220 V的交流市電.LED是2～3 V的低電壓驅(qū)動(dòng)，必須要設(shè)計(jì)復(fù)雜的變換電路，不同用途的LED燈，要配備不同的電源適配器.國(guó)際市場(chǎng)上國(guó)外客戶對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電源的效率轉(zhuǎn)換、有效功率、恒流精度、電源壽命、電磁兼容的要求都非常高，設(shè)計(jì)一款好的電源必須要綜合考慮這些因數(shù)，因?yàn)殡娫丛谡麄€(gè)燈具中的作用就好比人的心臟一樣重要. 用LED作為顯示器或其他照明設(shè)備或背光源時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng)，主要原因是：(1)避免驅(qū)動(dòng)電流超出最大額定值，影響其可靠性. (2)獲得預(yù)期的亮度要求，并保證各個(gè)LED亮度、色度的一致性.

1 白光LED發(fā)光原理

白光LED是一種由InGaN藍(lán)色LED和熒光體組成的新型LED.在藍(lán)色LED芯片上涂敷熒光體，最后用環(huán)氧樹脂將芯片周圍密封.兩種方式(單芯片型和多芯片型)可得到色調(diào)效果好(Ra 85)的白光.一是同時(shí)點(diǎn)亮紅色、綠色、藍(lán)色(R.G.B)或藍(lán)綠色和黃橙色二、三種LED；二是用輻射藍(lán)色或紫外LED作激勵(lì)光源激勵(lì)熒光體的方式.第一種方式不僅在LED的驅(qū)動(dòng)電壓或發(fā)光輸出上有缺陷，而且在溫度特征或器件壽命上也存在問題，因此距實(shí)用化還有一段距離.第二種方式只需用一種LED恒流驅(qū)動(dòng)電路，而且易于設(shè)計(jì).

白光LED有3種激勵(lì)方式：(1)用藍(lán)色LED激勵(lì)發(fā)黃光的熒光體.這種白光就是將藍(lán)色LED與YAG熒光物質(zhì)放在一起，用藍(lán)光激發(fā)熒光物質(zhì)，這樣它發(fā)出的光譜就是白光.在這方面日亞化學(xué)公司擁有世界性的專利.用紫外LED激勵(lì)R.G.B熒光體.激勵(lì)熒光體的白色LED照明光源因熒光體組拿來不同可發(fā)射白光以外的各種顏色的光，因而可廣泛應(yīng)用與照明.(2)用R.G.B三基色LED開發(fā)了白色LED,現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室水準(zhǔn)的發(fā)光效率已超過50 Lm/W,近幾年內(nèi)可望超過100 Lm/W,而紅色部分最佳的發(fā)光效率已超過100 Lm/W.(3)利用紅、綠、藍(lán)3種發(fā)光二極體調(diào)整個(gè)別亮度達(dá)到白光，一般來說，紅、綠、藍(lán)的亮度比應(yīng)為3∶6∶1，或者只用紅、綠或藍(lán)、黃兩顆LED調(diào)整其個(gè)別亮度來發(fā)出白光，這樣的白光結(jié)構(gòu)最大的缺點(diǎn)就是造價(jià)較高，不利于商品化發(fā)展.

2 白光LED的伏安特性

LED驅(qū)動(dòng)電路就是能為L(zhǎng)ED的正常工作提供所需要的電壓和電流的電路.要了解LED驅(qū)動(dòng)電路的特性，就必須先了解LED的電學(xué)特性.

圖1 不同白光LED的電流-電壓特性之間的差異性

圖1所示的是不同白光LED之間，甚至是從同一產(chǎn)品批次中隨機(jī)挑選的LED之間的正向電流電壓特性的差異.橫坐標(biāo)為通過不同LED的正向電流，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)的外加向正向電壓.可以看出，在恒定電壓的驅(qū)動(dòng)下，不同LED上流經(jīng)的正向電流大小不同，由于LED的發(fā)光亮度主要受其驅(qū)動(dòng)電流的影響，從而導(dǎo)致發(fā)出的白光亮度不同，如圖中虛線所示.而且，LED正向?qū)ê?，外加正向電壓的?xì)小變動(dòng)都將引起LED電流的很大變化，從而導(dǎo)致出射光光強(qiáng)的變化.

圖2(a)所示為美國(guó)Lumileds Lighting 公司一種超高LED白光，LED(HRWA-xH00)在常溫(25℃)下，光通量Φ與其正向電流IF的關(guān)系曲線.從該圖中可以看出，LED的發(fā)光亮度與正向平均電流大小基本成正比關(guān)系，因此可以通過控制LED的正向電流IF來控制其發(fā)光亮度.

圖2(b)給出了該大功率LED在常溫下(25℃)的I-V曲線，從圖中可以看出通過控制其正向電壓VF就可以控制其正向電流IF，從而控制其發(fā)光亮度.在正向電壓值小于某一值(閾值)時(shí)，電流極小，不發(fā)光.當(dāng)電壓超過某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，從而使LED發(fā)光.但如果采用恒壓源驅(qū)動(dòng)，VF的微小變化就會(huì)引起IF的較大變化，從而會(huì)引起LED發(fā)光亮度的較大變化.所以，采用恒壓源驅(qū)動(dòng)不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性、壽命和光衰.因此，超高亮LED通常采用恒流源驅(qū)動(dòng).

圖2 HPWA-xH00在常溫下的光通量與IF曲線以及I-V曲線關(guān)系

3 白光LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

3.1 反激變換電路設(shè)計(jì)

LED驅(qū)動(dòng)電路采用的開關(guān)電源電路通常有Boost、Buck和Buck-Boost拓?fù)潆娐?，其缺點(diǎn)是輸入回路和輸出回路共地，無法實(shí)現(xiàn)多路輸出，同時(shí)輸入回路的短路大電流很容易對(duì)輸出回路中的LED造成影響.基于以上原因，本設(shè)計(jì)采用了反激變換電路作為L(zhǎng)ED的恒流驅(qū)動(dòng)電路.該電路的主要優(yōu)點(diǎn)是利用變壓器將輸入輸出回路隔離，同時(shí)省掉了正激電路中所需要的輸出濾波電感.

根據(jù)變壓器副邊電感中電流情況的不同，反激變換電路的工作模式分為：斷續(xù)模式(DCM)和連續(xù)模式(CCM).由于斷續(xù)模式的變壓器勵(lì)磁電感小從而系統(tǒng)響應(yīng)快，且輸出負(fù)載電流和輸入電壓突變時(shí)，輸出電壓瞬態(tài)尖峰小；而連續(xù)模式的傳遞函數(shù)具有右半平面零點(diǎn)，這將使得系統(tǒng)不穩(wěn)定，必須通過大幅減小誤差放大器帶寬才能使反饋環(huán)穩(wěn)定.因此，本設(shè)計(jì)采用斷續(xù)模式反激變換電路.

圖3為本設(shè)計(jì)斷續(xù)模式下反激變換器工作原理圖，Viper12A為電源管理芯片.當(dāng)開關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，變壓器原副邊繞組同名端的電壓相對(duì)于異名端為負(fù)，輸出整流管D反偏，電容C向負(fù)載供電.C容量的選擇應(yīng)保證提供負(fù)載電流的同時(shí)能滿足輸出電壓紋波和壓降的要求.Q導(dǎo)通期間，變壓器原邊Np上的電壓恒定，其電流線性上升，設(shè)開關(guān)管導(dǎo)通電壓為1 V，則電流線性上升斜率為：

di/dt=(Vdc-1)/Lp

(1)

其中，Lp為變壓器原邊勵(lì)磁電感，Vdc為輸入端直流電壓.

設(shè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間為Ton，則在導(dǎo)通結(jié)束之前原邊電流上升到最大值Ip,

Ip=(Vdc-1)Ton/Lp

(2)

此時(shí)變壓器儲(chǔ)存的能量為：

E=Lp(Ip)2/2

(3)

式中，E的單位為焦耳，Lp的單位為亨利，Ip的單位為安培.

圖3 斷續(xù)模式下反激變換器

圖4 控制板實(shí)物圖

當(dāng)開關(guān)管Q斷開時(shí)，勵(lì)磁電感的電流使各繞組電壓反向，由于電感電流不能突變，在Q斷開瞬間，變壓器次級(jí)電流幅值為：

Is=Ip(Np/Ns)

(4)

幾個(gè)開關(guān)周期之后，次級(jí)直流電壓上升到Vo.Q斷開時(shí)，Ns同名端為正，電流從該端流出并線性下降，電流線性下降斜率為

dIs/dt=Vo/Ls

(5)

其中，Ls為次級(jí)電感.

若次級(jí)電流Is在Q再次導(dǎo)通之前降到零，則變壓器儲(chǔ)存的能量在Q再次導(dǎo)通前已全部傳送到負(fù)載端，變壓器工作在斷續(xù)模式.由于一個(gè)周期內(nèi)傳遞的能量E即為輸入功率P，則一個(gè)周期T內(nèi)直流母線電壓 提供的功率為：

(6)

又因，Ip=(Vdc-1)Ton/Lp，則有：

(7)

從式(7)可知，只要反饋環(huán)保持VdcTon恒定，即可保持輸出恒定.

設(shè)變壓器的轉(zhuǎn)換效率為80%，則輸入功率P=1.25×輸出功率P0，即有：

(8)

式中Ro為負(fù)載LED的等效電阻.從式(7)可知，最大導(dǎo)通時(shí)間Ton出現(xiàn)在輸入電壓最低的時(shí)候，因此Ip=VdcminTonmax/Lp，則有：

(9)

反饋環(huán)在Vdc或Ro上升時(shí)減小Ton，在Vdc或Ro下降時(shí)增大Ton，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出[3].

變壓器原副邊匝數(shù)比Np/Ns決定了不考慮漏感尖峰時(shí)開關(guān)管可承受的最大關(guān)斷電壓應(yīng)力Vmsmax.若忽略漏感尖峰并設(shè)輸出整流管D壓降為1V，則直流輸入電壓最大時(shí)開關(guān)管的最大電壓應(yīng)力為：

(10)

參數(shù)Vmsmax的選擇應(yīng)盡量小，以給開關(guān)管的極限值留有一定的裕度.

在圖3中，通過電阻R將輸出回路的電流采樣后與參考電壓Vref比較，通過調(diào)節(jié)開關(guān)管Q的占空比，即可使輸出電流保持恒定，達(dá)到恒流目的.

3.2 驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中LED燈組采用1 W白光LED 9只，按照?qǐng)D3連接方式3并 3串.LED型號(hào)為EHP-AX08L/UT01-P01/B46J5，額定電流350 mA，工作電壓3.3～3.5 V，額定功率1 W，光效45 Lm/W.則LED燈組負(fù)載需要的功率為9 W，電流為1.05 A，電壓為9.9 V左右.為了安全起見，將LED恒流目標(biāo)值設(shè)定為0.98 A.本驅(qū)動(dòng)電路前端為太陽(yáng)能板-蓄電池供電系統(tǒng)，最大直流輸入電壓Vdcmax=17 V.

針對(duì)以上負(fù)載需求及前端供電特點(diǎn)，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路中相關(guān)參數(shù)：原副邊最大電流取為1.5 A；最大輸出功率Pomax取為12 W；由于本設(shè)計(jì)中的功率不是很高，一般的開關(guān)管均能滿足功率需要，所以不存在開關(guān)管最大關(guān)斷電壓應(yīng)力Vmsmax的限制，根據(jù)需要選定Np/Ns為5；選擇變壓器鐵芯型號(hào)為天通EE10錳鋅鐵芯，其Ae=12.7·10-6平方米；電路工作頻率選定為25 kHz.根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式確定Lp≈63μH；Np=33；變壓器線徑選為0.5 mm.圖4為設(shè)計(jì)的控制板實(shí)物圖，正面主要是插件器件，反面為貼片器件.

圖5 LED驅(qū)動(dòng)電路恒流曲線

針對(duì)上面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試了輸入電壓在12～17 V變化時(shí)的驅(qū)動(dòng)電路恒流特性，恒流實(shí)測(cè)曲線如圖5所示，橫坐標(biāo)為驅(qū)動(dòng)電路輸入電壓，縱坐標(biāo)為流過LED的電流.可以看出，LED驅(qū)動(dòng)電路輸入端電壓從12 V變化到17 V，基本上可以保證流過LED的電流為0.98 A左右，恒流相對(duì)精度可以達(dá)到3%以內(nèi)，完全滿足LED恒流的要求.

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)大功率白光LED的電學(xué)特點(diǎn)，在現(xiàn)有白光LED驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，提出了白光LED在混聯(lián)方式下的反激變換驅(qū)動(dòng)電路.實(shí)驗(yàn)證明，該電路能夠很好的實(shí)現(xiàn)白光LED的恒流驅(qū)動(dòng)，為以后的科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用提供了充分的理論依據(jù)和有力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，加快了白光LED的發(fā)展，為L(zhǎng)ED照明開辟了一條新的路徑.

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