反激式LED恒流驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

包偉+田麗+杜道昶

摘 要 本文針對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電路質(zhì)量參差不齊的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種反激式變換LED恒流驅(qū)動(dòng)電路，其輸出功率為120W，輸出電壓為33V～37V，該電路采用串并混合連接，結(jié)合功率因數(shù)校正電路和反激式變換電路等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。性能測(cè)試表明，其輸出恒流效果較好，電流穩(wěn)定度約2.7%，輸出電壓紋波低，可用于恒流驅(qū)動(dòng)混聯(lián)方式組成的多只LED陣列。

關(guān)鍵詞 LED光源；反激式；恒流電路；功率因數(shù)校正；連續(xù)導(dǎo)通模式

中圖分類(lèi)號(hào)TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）161-0174-03

LED即為發(fā)光二極管的縮寫(xiě)，其英文全稱(chēng)為L(zhǎng)ight Emitting Diode，它是在具備普通二極管性質(zhì)的基礎(chǔ)上，具有發(fā)光特質(zhì)的半導(dǎo)體組件。在其工作過(guò)程中，LED的核心為具有單向?qū)щ娦阅艿腜N結(jié)，當(dāng)給予PN結(jié)正向電壓時(shí)，電能會(huì)被轉(zhuǎn)化為光能，這是由于電子會(huì)由N區(qū)移動(dòng)至P區(qū)，當(dāng)電子與多數(shù)載流子在P區(qū)進(jìn)行復(fù)合是，便會(huì)以光的形式將多余的能量釋放出來(lái)。反之，當(dāng)給予PN結(jié)負(fù)向電壓時(shí)，少數(shù)載流子難以與電子復(fù)合，空間電荷區(qū)變寬，則沒(méi)有多余的能量釋放，故不能發(fā)光。通常采用發(fā)光效率、發(fā)光強(qiáng)度、光通量、光強(qiáng)分布和波長(zhǎng)等參數(shù)來(lái)表達(dá)LED的光學(xué)特性。

基于LED的壽命長(zhǎng)、效率高和節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于城市照明中。結(jié)合LED的光通量與電流關(guān)系曲線(xiàn)，以及伏安特性曲線(xiàn)的分析，可以得出電流大小對(duì)其光照強(qiáng)度有決定性的影響，電流也對(duì)其光通量有必然的影響，所以恒定的電流條件才能獲得穩(wěn)定光照強(qiáng)度?；诖耍疚膶?duì)電流的恒定性進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種反激式電路，其輸出功率為120W，輸出電壓為33V～37V，該電路可以通過(guò)結(jié)合功率因數(shù)校正電路和反激式變換電路的方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用串聯(lián)和并聯(lián)混合使用的方法，為120只功率為1W的LED照明燈提供電流輸入。最終，本文建立了一種反激式LED恒流驅(qū)動(dòng)電路。

1 LED恒流驅(qū)動(dòng)電路組成

本文結(jié)合功率因數(shù)校正電路和反激式變換電路的理念，設(shè)計(jì)了一種恒流驅(qū)動(dòng)的LED電路。它主要有220V交流電壓為輸入，通過(guò)EMI濾波、整波濾波、升壓交變等部分組成，其中，交變電流通過(guò)EMI濾波及整流濾波后，繼而進(jìn)入到校正電路中對(duì)功率進(jìn)行校正，而后續(xù)的反激式變換電路則進(jìn)行降壓交換處理，恒流控制則采用AP4310芯片為核心的電路進(jìn)行，繼而抽樣調(diào)整，最終將穩(wěn)定的恒流輸入到LED光照設(shè)備中。該電路體系中，通過(guò)過(guò)流、過(guò)壓以及過(guò)溫3種保護(hù)方式來(lái)進(jìn)行電路保護(hù)。

2 LED恒流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1 LED負(fù)載為混聯(lián)方式

如圖1所示，LED負(fù)載排布為串聯(lián)和并聯(lián)混合使用的矩陣排布方式，對(duì)120只功率均為1W的LED燈組成。其中，串聯(lián)的LED上的電流基本一致，但由于數(shù)量較多，其輸出電壓則會(huì)較大；采用并聯(lián)方式連接是，其輸出電壓相對(duì)較低，但對(duì)驅(qū)動(dòng)電流容量要求則相對(duì)高一些。

式中，I1-L表示支路電流，I0為總輸出電流，L為L(zhǎng)ED的并聯(lián)列數(shù)，V0為輸出電壓，Vi為單個(gè)LED燈的正向電壓，H為單個(gè)并聯(lián)支路中串聯(lián)的LED燈個(gè)數(shù)，RP則表示其單個(gè)LED的電阻。

2.2 LED恒流源輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)

如圖2所示為EMI濾波及整流濾波電路，其中R1-3為壓敏電阻器，主要用來(lái)電路中的過(guò)電壓，R4為熱敏電阻，用來(lái)調(diào)整電路接通瞬間的浪通電流。而兩級(jí)共軛濾波電路則由LP1-2和R5-6等部分組成，RY1-2接機(jī)。B1為整流橋，主要實(shí)現(xiàn)電壓的直流轉(zhuǎn)換。

2.3 功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)

功率因素校正的主要有單級(jí)式和雙級(jí)式這兩種電路的結(jié)構(gòu)[ 1 ]。在這篇文章里所采用的是雙極式的電路。這一功率校正電路的前級(jí)所采用的壓式變換器是以O(shè)B6563這一芯片組成的，由于功率因數(shù)的大大增加，使其能夠提供大概400V直流電壓以確保后級(jí)電路的工作。在連續(xù)導(dǎo)通CCM模式的控制之下，電路控制策略是由芯片的乘法器進(jìn)行運(yùn)算的。在這款高性能的PFC芯片，擁有著9.5V～28V的較為寬廣的工作范圍[2，3]，而與大電壓范圍對(duì)應(yīng)的缺失較小的工作電流。對(duì)于其組成部分，則包含了場(chǎng)效應(yīng)模式下的管驅(qū)動(dòng)邏輯電路、零電流的檢測(cè)（ZCD）處理電路以及針對(duì)總諧波分布進(jìn)行優(yōu)化的乘法器等，能夠?qū)﹄娏鬟M(jìn)行逐周期的限制，并且還能夠在電壓不夠時(shí)進(jìn)行限制，在電壓過(guò)高時(shí)進(jìn)行保護(hù)的功能。

2.4 恒流控制電路設(shè)計(jì)

如圖3所示為恒流控制的電路圖，圖中運(yùn)放負(fù)反饋元件為C4～5、R6～7，Rt為熱敏電阻，R13～14為電阻，其與Q3形成過(guò)溫補(bǔ)償電路。由圖可知，其中AP4310芯片為核心組成部分之一，且該芯片擁有獨(dú)立的兩路開(kāi)環(huán)誤差放大器[4，5]。在其工作過(guò)程中，通過(guò)運(yùn)放1來(lái)進(jìn)行電壓的操控，由R1 1等進(jìn)行輸出電壓LED到芯片2腳的等分壓輸入處理，且保持其3腳處擁有2.5V的穩(wěn)定電壓。對(duì)于其二極管D1的光耦，則由放大器1進(jìn)行輸出，以進(jìn)行LED電壓的反饋電路的構(gòu)建。而電流操控則由運(yùn)放2進(jìn)行。對(duì)R3電阻進(jìn)行電流取樣，并將其轉(zhuǎn)換的電壓輸送到芯片6腳，對(duì)于二極管D3的光耦則由放大器2進(jìn)行輸出，以進(jìn)行LED電流的反饋電路的構(gòu)建，且在此過(guò)程中，反饋位置為如前所述反激式變換級(jí)，以對(duì)電流進(jìn)行穩(wěn)定處理。

2.5 部分參數(shù)測(cè)試

論文的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。圖中的（a）圖是功率因數(shù)乘法器輸入電壓取樣點(diǎn)電壓，電壓值保持在0.8V左右。如圖4（b）所示為針對(duì)功率因數(shù)乘法器的輸出電壓的取樣結(jié)果，約為2.4V。如圖4（c）所示為反激變換場(chǎng)效應(yīng)條件下的管漏極電壓的波形圖。從圖中能夠發(fā)現(xiàn)，漏極電壓幅值峰的最高值大概是340V，并保持在5.5μs左右的導(dǎo)通時(shí)間。如圖4（d）所示為對(duì)于反激變換電路進(jìn)行電流取樣后的電阻電壓的波形圖，其電壓的最大極值約為0.24V左右，當(dāng)達(dá)到峰值時(shí)，立馬停止場(chǎng)效應(yīng)管。如圖4（e）所示為輸出電流-電壓的曲線(xiàn)，當(dāng)其電壓處于220V時(shí)，該曲線(xiàn)則可以對(duì)調(diào)整負(fù)載進(jìn)行檢測(cè)獲得?！?60】在負(fù)載在10Ω到24Ω變化時(shí)（之中間隔1Ω），單只LED管電流開(kāi)始從0.290A慢慢降低到0.282A，電流變化量大概是0.08A，電流穩(wěn)定程度大概是2.7%，電壓從35.2V提升到約36.8V后，開(kāi)始變得恒定。圖中的（f）是LED恒定電流源輸出電壓紋波曲線(xiàn)，在圖上可以發(fā)現(xiàn)，紋波比較小，最高值大概是70mV。利用針對(duì)LED恒定電流源開(kāi)始長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作通電檢測(cè)，結(jié)論表示運(yùn)作穩(wěn)定，可以達(dá)到驅(qū)動(dòng)數(shù)只大功率LED的目的。

3 結(jié)論

本文通過(guò)理論分析，核心內(nèi)容是構(gòu)造了一種輸出功率是120W的反激式變換LED恒定電流驅(qū)動(dòng)電路，它的輸出電壓范圍是33V～37V，可以在120只功率是1W的LED管運(yùn)用10串聯(lián)12并聯(lián)混合聯(lián)接的模式構(gòu)成的LED陣列中供給驅(qū)動(dòng)電源。借助對(duì)它們功率因數(shù)校正電路、反激式變換電路、恒定電流操控電路采取試驗(yàn)和性能檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)它們的負(fù)載在10Ω到24Ω變換時(shí)，恒定電流效果更好，電流穩(wěn)定程度為2.7%左右，輸出電壓紋波較低，僅僅是70mV左右，有效地展現(xiàn)了該反激式LED恒定電流驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)了大功率LED驅(qū)動(dòng)和穩(wěn)定電流的作用。

參考文獻(xiàn)

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