· 6 6· 能 源研 究 与管 理2011(4)开发与应用 恒流式 L E D电源的优化设计与应用 马年骏 ( 上海 电力学院 ,上海200444)摘要:L E D由于环保 、寿命长 、光 电效率高等众多优点 ,近年来在各行业 的应用得 以快速发展 ,L E D 的驱动 电源 成 了关注热点 .理论上 ,L E D 的使 用寿命在 1 O万 h以上 ,但在实际应用过程 中,由于驱动 电源的设计及驱动方式 选择不 当,使LED极 易损坏 .针对 L E D照 明的恒流式电源 ,首先 阐述 了LED电源 的基本工作原 理 ,然后 根据整体 电路 的基本架构 ,给出 了整个的设计思路 ,主要介绍 了电磁干扰( E MI ) 滤波器、有源功率因素校正 ( A P F C )电路以 及散热设计 .最后 ,介绍 了LED电源在生活 中的应用 以及今后设计需要解决的问题 . 关键 词:L E D;开关 电源 ;恒流 ;电磁干扰 ;功率因素校正 ;散热 中图分类号 :T M9 2 3 . 3 4 文献标 志码 :B 文章编号 :1 0 0 5 - -7 6 7 6 ( 2 0 1 1 )0 4 —0 0 6 6 —0 4 Op t i ma l De s i g n a n d Ap p l i c a t i o n o f t h e Co n s t a n t Cu r r e n t LED Po we r MANi a n - j u n ( S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E l e c t r i c P o we r , S h a n g h a i 2 0 0 4 4 4 , C h i n a ) Ab s t r a c t :Be c a u s e o f p r o — e n v i r o n me n t ,l o n g e r l i f e t i me , h i g h e r p h o t o e l e c t r i c i t y e f f i c i e n c y a n d n u me r o u s a d v a n t a g e s ,L E D q u i c k l y d e v e l o p s i n a l 1 wa l k s o f l i f e . L ED d r i v i ng p o we r b e c o me s h o t p o i n t . Th e o r e t i c a l l y , t h e s e r v i c e l i f e o f L E D i s mo r e t ha n 1 0 0 , 0 0 0 h o u r s . Ho we v e r , d u r i n g t he a c ma l a p p l i c a t i o n p r o c e s s , L E D i s e a s i l y d a ma g e d , d u e t o i n a p p r o p r i a t e d e s i g n o f t he d r iv i n g p o we r a n d d r i v i n g wa y . T h e p u r p o s e o f t h i s p a p e r i s t o a i m a t t he c o n s t a n t c u r r e n t p o we r o f L ED l i g h t i n g t o ma k e i t wo r k e f f i c i e n t l y a n d s t e a d i l y . T h e p r i ma r y wo r k p r i n c i p l e o f L ED p o we r i s b r i e f l y o u t l i ne d , a c c o r d i n g t o t he b a s i c s t r u c t u r e o f wh o l e e l e c t r i c c i r c u i t , t h e w h o l e d e s i g n wa y i s g i v e n . T h e d e s i g n o f E MI f i l t e r , a c t i v e p o we r f a c t o r c o r r e c t i n g( A P F C ) e l e c t r i c c i r c u i t a n d h e a t e l i m i na t i o n a r e a n a l y z e d i n t hi s p a p e r i n d e t ai l . F i n a l l y . t he a p p l i c a t i o n o f t h e L E D p o we r i I l d a i l y l i f e a n d s o me p r o b l e ms n e e d t o b e s o l v e d i n t he f u t u r e d e s i g n a r e i nt r o d u c e d . Ke y wo r d s :LE D;s wi t c h i ng p o we r s u p p l y ;c o n s t a n t c u r r e n t ;e l e c t r o ma g n e t i c i nt e r f e r e n c e ;p o we r f a c t o r c o r re c t i o n ;h e a t e 1 j mi n a t i o n 引言 当前我 国正在创建资源节约型、环境友好 型社 会 ,人们对 于城市环境 的呼声 E t 益高涨 .据统计 , 全球照明耗能约 占总用电量 的20%,绿色照 明是节 省能源的重要途径 ,也是人类社会可持续发展的一 项重要举措.近年来 ,随着 L E D技术的发展 , L E D 产品已正式应用在多项大型亮化工程 中,例如北京 奥运村、北京长安西街 、西宁湟水河廊桥、上海大 厦 、上海高宝金融大厦 、青岛鑫江华润酒 店、陕西 万邦时代广场、中国科技会堂、南京水游城、贵州 铜仁瓦窑河大桥及武汉 阳逻长江大桥等一大批重要 工程【 " . L E D是 电流控制元件 ,通过流过 的电流 ,直接 投稿时间:2 0 1 1 - 0 3 — 1 7 作者简介 :马年骏 ( 1 9 9 0 一),男,江苏南京人 ,上海电力学院学生 ,主要研究方向:电气 自动化 . 开发与应用 能 源研 究 与管 理2011(4)·67· 将 电能转变为光能 ,故也称光 电转换器.因其不存 在摩擦损耗和机械损耗 ,所 以在节能方 面比一般的 光源效率高 ,但是 L E D光源并不能像一般的普通光 源一样可以直接使用 电网电压 ,它必须配置一个 电 压转换装置 ,提供满足其额定 的电压 、电流 ,才能 正常使用 ,即LED驱动电源.但是各种不同的 L E D 电源其性 能和转换效 率各不相 同 ,所 以选 择合适 、 高效的 L E D驱动 电源 ,才能真正体现 L E D光源的 高效特性 . 1 L E D电源基本 工作原理 采用隔离变压器 、P F C ( 功率 因素校正 ,P o w e r F a c t o r C o r r e c t i o n ) 控制实现开关电源 ,输 出恒定的电 流和电压 ,驱动 L E D灯.电路的总体框图见图 1 . 图1LED电源总体框图 对 于主 电路部分 ,L E D抗浪涌 的能力 比较差 , 特别是抗反向电压能力 ,加强这方面的保护很重要 , L E D 电源若用于路灯装在户外更要加强浪涌 防护 . 由于电网负载的启动和雷击的感应 , 从 电网系统会侵 入各 种浪涌 ,有些 浪涌会导致 L E D的损坏 .因此 L E D驱动电源应具有抑制浪涌侵入 , 保护 L E D不被 损坏的能力 .E MI 滤波 电路 主要防止电网上的谐波 干扰串人模块 ,影响控制电路的正常工作.三相交流 电经过全桥整流后变成脉动的直流在滤波电容和电感 的作用下 ,输 出直流 电压.主开关 D C/ A C电路将 直流电转换为高频脉冲电压在变压器的次级输出.变 压器输 出的高频脉 冲经过高频整流、L C ( 无源)滤波和EMI 滤波,输 出LED路灯需要的直 流电.PWM ( 脉宽调制)控制 电路采用电压电流双环控制, 以实现对输出电压的调整和输出电流的限制 .反馈 网 络采用恒流恒压器件和比较器 .反馈信号通过光耦送 给PFC器件 ( 本文选用 S T公 司的 L 6 5 6 2 A) . 由于 使用 了PFC器件 ,可以使模块 的功率因数达到 0 . 9 5 以上圈.控制 电路根据在输 出端进行 的取样 ,通过与预 先设定 的基准 电压进行 比较实现对逆变部分 的控制 , 进而改变开关管 的输 出占空 比,实现稳定输 出.另外,根据取样和检测电路 , 通过控制电路可实现对整 机的各种保护. 2 L E D电源设计思路 2 . 1 恒流驱动方式的优势 L E D路灯是低电压 、大电流 的驱动器件 ,其发 光 的强度 由流过 L E D的电流决定.电流过强会 引起 L E D的衰减 ,电流过弱会影响 L E D的发光强度 .从 理论上来说 ,理想的 L E D驱动方式是采用恒压 、恒流,但考虑驱动器的成本增加 ,因此采用恒流驱动方 式是 比较理想的 L E D驱动方式.此LED驱动方式能 避免 L E D正向电压的改变而引起 电流变动,同时恒 定的电流使 L E D的亮度稳定 ,可以保证大功率 L E D 使用的安全 l 生,达到理想的发光强度. 2 . 2 E MI 滤波器的设计 由于开关 电源工作在通断状态 ,会有很多快速 瞬变过程 ,它本身就是一种 E MI 源 ,它产生的 E MI 信号有很宽的频率范围,又有一定 的幅度.若把这种 电源直接用于数字设备 ,则设备产生的 E MI 信号会 变得更加强烈和复杂.以下从开关 电源的工作原理出 发,探讨其传导干扰抑制的 E MI 滤波器 的设计. E MI 滤波器是一种 由电感和电容组成 的低通滤 波器 ,它能让低频的有用信号顺利通过 ,而对高频干 扰有抑制作用 .怎样才能抑制这些高频干扰信号呢? 无非就是要在信号进入设备之前把它遏制.亦即,在 输入电路部分对高频干扰形成所谓的阻抗失配.失配 越厉害,实现的衰减越理想 , 得到的插人损耗特 陛就 越好.即如果噪音源内阻是低阻抗的, 则与之对接的 E MI 滤波器 的输入 阻抗应该是高阻抗 ( 如电感量很 大的串联电感) ;如果噪音源 内阻是高阻抗的,则E—MI 滤波器的输人阻抗应该是低阻抗 ( 如容量很大的 并联电容) .这个原则也是设计抑制开关电源 E MI 滤 波器必须遵循的【 3 ] . 几乎所有设备的传导干扰都包含共模干扰和差 模干扰,开关电源也不例外.共模干扰是由于载流导 体与大地之间的电位差产生的, 其特点是两条线上的 · 6 8· 能 源研 究与管理2011(4)开发与应用 杂讯电压是同电位同向的;而差模干扰则是 由于载流 导体之间的电位差产生的 , 其特点是两条线上的杂讯 电压是同电位反向的.通常 ,线路上干扰电压的这两 种分量是同时存在的.由于线路阻抗的不平衡,两种 分量在传输中会互相转变 ,情况十分复杂. 在实际使用 中,由于设备所产生的杂讯 中共模 和差模的成分不同,所采用的滤波电路也有变化 ,可 适当增加或减少滤波元件.具体 电路的调整一般要经 过EMI 试验后才能有满意的结果 ,此外安装滤波 电 路时一定要保证接地良好 ,并且输入端和输出端要 良 好隔离 ,否则起不到滤波的效果. 2 . 3 AP F C电路的设计 考虑到将交流 电直接整流滤波后给开关电源供 电时 ,由于 P ~ 3 V I 直流 一直流变换将使交流电网侧 功率因数恶化 ,对交流 电网不利 .造成常规开关 电 源功率 因数低的根源是整流 电路后 的滤波 电容使输 入电流变为尖脉冲.如果整流电路后面不加滤波电 路 ,仅为阻性负载时 ,输入 电流即为正弦波 ,并与 电源 电压同相位 ,功率 因数 为l.功率因数校正技 术 的基本思想是将整流器与滤波电容隔开 ,使整流 电路由容性负载变为阻性负载[ 4 ] . 人们经过努力研制了 P F C电路 ,该种 电路将交 流 电压经全波整流和滤波得到的直流电压进行直流 一 直流变换 ,并使输入电流平均值 自动跟随全波整 现对 P WM 直流变换器稳压输 出和接近单位输 入功 率因数 . 目前 的PFC有两 种 ,分别 为被 动式 P F C ( 也称无源 P F C )和主动式 P F C ( 也称有源式 P F C ) . 被动式 P F C一般采用电感补偿方法使交流输入 的基 波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数 ;被 动式 P F C包 括静 音 式被 动PFC和非 静 音式 被动PFC.被 动式 P F C的功率 因数 只能 达到 0 . 7 ~0 . 8 , 它一般在高压滤波电容 附近.而 主动式 P F C,也就 是有源功率因素校正电路则由电感电容及 电子元器 件组成 ,体积小 、通过专用元件或集成电路去调整 电流 的波形 ,对电流与电压 问的相位差进行 补偿 . 一 般置于桥式整流器与滤波 电容之间 ,实 际上是一 种DC—DC变换器 ,主要有升压 、降压、升压 . 降压 和 回扫型 4 种 .其 中升压型 A P F C变换器在一定输 出功率下可减小输 出电流 ,因而可 以减小输 出滤波 电容的容值和体积 ,同时电路的功率 因素高 、T H D ( 总电流谐波 畸变 ,T o t a l Ha r mo n i c Di s t o r t i o n ) 小、效率高 、应用最为广泛 .而APFC可 以达到较高 的功率因数 ,通常可 达0.98以 上,但 成本也相 对较 高.此外 ,A P F C还可用作辅助 电源 ,因此在使用 AP F C电路中,往往不需要待机变压器 ,而且 A P F C 输 出直流 电压 的纹波很小 ,这种 电源不必采用很大 容量的滤波 电容 . 本设计采用 S T公司推 出的低成本经济型 的有 流的直流基准 电流 ,且保持输 出电压稳定 ,从而实 源功率因数校正控制器件 L 6 5 6 2 A,见图 2 [ 5 ] . F : 一. 黧娶v一— = 3 士i辅嘲一100袖l.....I黪褥2锅黪嚣溉f.5【 l 上1i5M氇}j蓉》.2{基≥2蜇藏一姒夏翟旦3∞一隧S∞ 眦耄2.瞎k--C7一 L 6 5 6 2 A l 袋l d 【 黼9 悠图2基于 L 6 5 6 2 A的PFC电路 2 . 4 散热器的设计 L E D是半 导体发光 ,除部 分功率转 化为 光能 外 ,绝大部分功率都转化为热能 .商家为 了灯具产 品结构的整体优美 ,往往把 电源与 L E D灯体结构紧 密设计在一起 ,L E D的发热与电源的发热叠加 ,这 样电源和 L E D光源都处在恶劣的工作环境 中,当工 作环境的温度超过一定 的温度时,电源及 L E D的寿 命会大打折扣. 本设 的LED驱动电源电路不与散热系统紧贴 在一起 .采取了一些散热措施 :( L ) L E D灯采用铝基 板散热 ;②功率器件均匀排布 , 尽 可能避免将 L E D 驱动电路与散热部分贴近 ;③抑制封装至印刷电路 开发与应用 能 源研 究 与管理 2 0 1 1 ( 4 ) · 6 9· 基板的热阻抗 ;④提高 L E D芯片的散热顺畅性以降 低热阻抗 . 特别要注意 的是 ,为使 开关 电源能正 常工作 , 给集成芯片 ( L 6 5 6 2 A )装上铝板作为散热器 ,可以均摊热量 ,增大有效 的散热面积 ,避免因散热不 良 致使管芯温度超过最高结温 ,使开关电源无法正常 工作 ,甚至损坏芯片【 6 J .散热器通过和芯片表面的紧 密接触使芯片的热量传导到散热器 ,散热器通常是 一 块带有很多叶片 的热的 良导体 ,它的充分扩展的 表面使热的辐射大大增加 ,同时流通的空气也能带 走更 大的热能.这种散热设计结构简单 、成本低廉 , 容易 自制 ,但是不宜用于驱动大功率 L E D的开关电 源.3LED电源 的应用 在传统光源中 ,白炽灯 、荧光灯 、霓虹灯 已经 随处可见 ,人们对它们 的存 在可能 已经熟视无 睹. 在广告行业当中 ,霓虹灯的应用 已是非常普及 ,而LED却应用 较少 .实 际上 ,L E D作 为新 型 的电光 源 ,在制作大型发光立体字和发光标识 中有着明显 的优势 .霓虹灯广告一般控制变压器的输人端 ,以 此进行扫描方式 的变化 ,可 以实现扫描或渐变的同 步 .另 外 ,由于霓虹灯变压 器输 出端是输 出几 k V 的高压 ,所以控制输 出端很 困难 .而LED广告一般 控制开关电源 的输 出端 ,由于开关电源内部有大的 电解 电容 ,如果控制输 出端时 ,当输人端 断开时 , 电源 内部的电解 电容有一个充放 电的过程 ,它能维 持输出端 L E D继续亮一段时间,这样在整个广告扫 描时就会出现不 同步的情况 .再之输 出电压低 ,控 制输 出端成本低 ,可靠性高 . 在电源工作 方式 的选择上 ,不 同的应用都有相 对理想的选择 .比如用于广告工程方 面 ,灯光以渐 变 、扫描 、全彩等为主 ,对变化亮度的均匀性要求 不高 ,选择 L E D 电源以恒压式电源为主,不同支路 上的 L E D灯互相不会产生影响 ,易于控制 ,功率可 以做到很大 ;而用于城市景观方面 ,多数 以常亮 的 方式显示 ,要求亮度均匀 ,选择 L E D电源以恒流式 电源 为主 ,串联在一条 支路上 的LED灯 的亮度均 匀 ,工作稳定性很高 ,即通过 L E D灯的电流不会因 为LED灯发热造成 电流变化 . 4 设计 L E D电源 中面临 的主 要挑 战 尽管国内外市场 L E D产品处于如火如荼 的发展 态势 ,但是 由于 L E D照明是新兴 的产业 ,目前还没 大面积普及和 民用化 ,主要是一些工程试点应用 , 同时没有可 以依照的行业标准 ,每一家设计 的灯具 所需求 的电源在结构 、电气规格上都不一样 .L E D 驱动电源不可避免 的在各方面面临诸多挑 战:①散 热欠佳会造成 L E D光色的改变 ,使发光效率和寿命 明显衰减 ,尤其是关键器件如电容在高温下 的寿命 直接影 响到 电源的寿命 ;~) L E D驱动器应挑战更 高的转换效率 ,尤其是在驱动大功率 L E D时更是如 此 ,因为所有未作为光输 出的功率都作为热量耗散 , 电源转换效率 的过低 ,影响 了LED节能效果 的发 挥;③以大调光 比高效率地对 L E D调光 ,同时能够 保证在高和低亮度 时颜 色特性恒定 ;④ 降低成本 , 目 前在功率较小 ( 1 ~5 W)的应用场合 ,恒流驱动 电源成本所 占的比重已经接近 l / 3 ,已经接近了光源 的成本 ,一定程度上影响了市场推广. 所以,将LED电源标准化从而提高通用性 ,降 低成本 ,以批量化生产提高质量是大家努力实现的 方向和 目标. 5 结语 多彩 的世界需要 L E D来改变 ,选择合适 、高效 的LED专用 电源 ,才能真正展露 出LED光源高效 能的特性.本设计通过优化 电路结构和采用 电压环 反馈 ,限压恒流 ,效率高 ,恒流准 ,范围宽 ,实现 了宽输入 ,稳压恒流输出,避免了 L E D正 向电压的 改变而引起电流变动 ,提高了电源工作效率 ,缩小 了电源体积 ,且散热佳 ,性价 比高 .更重要 的是实 现了 L E D寿命 的最大化 ,同时符合 L E D电源顺应 小型电子设备 " 小 、轻、薄"的发展趋势 ,有利于 促进 L E D电源的发展 ,可供生产商参考 . 参考文献 [ 1 】 吕启 静.乐雷—— 以产 品和系统 的可靠 性 占领市场 [ J ] . 中 国照 明, 2 0 0 8 ( 7 ) : 4 5 . [ 2 ] 程增艳 , 王军,朱秀林 . L E D路灯驱 动电源 的设计 [ J ] . 电子设 计工 程, 2 0 1 0 , l 8 ( 6 ) : 1 8 8 — 1 9 0 . 【 3 】 张廷鹏. 通信用高频开关电源[ M】 . 北京: 人民邮电出版社, 1 9 9 7 . [ 4 ] 王艳平, 文露, 戴瑜兴 . 基于功率 因数校正 电路 的LED照 明电源设 计[ J ] . 低压 电器, 2 0 0 9 ( 1 4 ) : 2 9 — 3 2 . 【 5】 S T P r o d u c t s . UM0 6 7 0 : 8 0 W o f f ii n e L E D d r i v e r t h P F C[ DB / OL ] . [ 2 0 1 1 - 0 3 - 1 0 ] . h t t p : / / ww w. S t . c o m/ i n t e me t / e v a l b o a r d / p r o d u c t . 【 6 ] 沙占友, 安国臣. 开关电源散热器的设计[ J ] . 电源技术应用, 2 0 1 0 , 1 3 ( 1 ) : 3 7 — 4 0 . [ 7 ] 马年骏.LED光源——新一代绿色照明[J].上海节能,2009(12):】9-23.
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· 6 6· 能 源研 究 与管 理2011(4)开发与应用 恒流式 L E D电源的优化设计与应用 马年骏 ( 上海 电力学院 ,上海200444)摘要:L E D由于环保 、寿命长 、光 电效率高等众多优点 ,近年来在各行业 的应用得 以快速发展 ,L E D 的驱动 电源 成 了关注热点 .理论上 ,L E D 的使 用寿命在 1 O万 h以上 ,但在实际应用过程 中,由于驱动 电源的设计及驱动方式 选择不 当,使LED极 易损坏 .针对 L E D照 明的恒流式电源 ,首先 阐述 了LED电源 的基本工作原 理 ,然后 根据整体 电路 的基本架构 ,给出 了整个的设计思路 ,主要介绍 了电磁干扰( E MI ) 滤波器、有源功率因素校正 ( A P F C )电路以 及散热设计 .最后 ,介绍 了LED电源在生活 中的应用 以及今后设计需要解决的问题 . 关键 词:L E D;开关 电源 ;恒流 ;电磁干扰 ;功率因素校正 ;散热 中图分类号 :T M9 2 3 . 3 4 文献标 志码 :B 文章编号 :1 0 0 5 - -7 6 7 6 ( 2 0 1 1 )0 4 —0 0 6 6 —0 4 Op t i ma l De s i g n a n d Ap p l i c a t i o n o f t h e Co n s t a n t Cu r r e n t LED Po we r MANi a n - j u n ( S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E l e c t r i c P o we r , S h a n g h a i 2 0 0 4 4 4 , C h i n a ) Ab s t r a c t :Be c a u s e o f p r o — e n v i r o n me n t ,l o n g e r l i f e t i me , h i g h e r p h o t o e l e c t r i c i t y e f f i c i e n c y a n d n u me r o u s a d v a n t a g e s ,L E D q u i c k l y d e v e l o p s i n a l 1 wa l k s o f l i f e . L ED d r i v i ng p o we r b e c o me s h o t p o i n t . Th e o r e t i c a l l y , t h e s e r v i c e l i f e o f L E D i s mo r e t ha n 1 0 0 , 0 0 0 h o u r s . Ho we v e r , d u r i n g t he a c ma l a p p l i c a t i o n p r o c e s s , L E D i s e a s i l y d a ma g e d , d u e t o i n a p p r o p r i a t e d e s i g n o f t he d r iv i n g p o we r a n d d r i v i n g wa y . T h e p u r p o s e o f t h i s p a p e r i s t o a i m a t t he c o n s t a n t c u r r e n t p o we r o f L ED l i g h t i n g t o ma k e i t wo r k e f f i c i e n t l y a n d s t e a d i l y . T h e p r i ma r y wo r k p r i n c i p l e o f L ED p o we r i s b r i e f l y o u t l i ne d , a c c o r d i n g t o t he b a s i c s t r u c t u r e o f wh o l e e l e c t r i c c i r c u i t , t h e w h o l e d e s i g n wa y i s g i v e n . T h e d e s i g n o f E MI f i l t e r , a c t i v e p o we r f a c t o r c o r r e c t i n g( A P F C ) e l e c t r i c c i r c u i t a n d h e a t e l i m i na t i o n a r e a n a l y z e d i n t hi s p a p e r i n d e t ai l . F i n a l l y . t he a p p l i c a t i o n o f t h e L E D p o we r i I l d a i l y l i f e a n d s o me p r o b l e ms n e e d t o b e s o l v e d i n t he f u t u r e d e s i g n a r e i nt r o d u c e d . Ke y wo r d s :LE D;s wi t c h i ng p o we r s u p p l y ;c o n s t a n t c u r r e n t ;e l e c t r o ma g n e t i c i nt e r f e r e n c e ;p o we r f a c t o r c o r re c t i o n ;h e a t e 1 j mi n a t i o n 引言 当前我 国正在创建资源节约型、环境友好 型社 会 ,人们对 于城市环境 的呼声 E t 益高涨 .据统计 , 全球照明耗能约 占总用电量 的20%,绿色照 明是节 省能源的重要途径 ,也是人类社会可持续发展的一 项重要举措.近年来 ,随着 L E D技术的发展 , L E D 产品已正式应用在多项大型亮化工程 中,例如北京 奥运村、北京长安西街 、西宁湟水河廊桥、上海大 厦 、上海高宝金融大厦 、青岛鑫江华润酒 店、陕西 万邦时代广场、中国科技会堂、南京水游城、贵州 铜仁瓦窑河大桥及武汉 阳逻长江大桥等一大批重要 工程【 " . L E D是 电流控制元件 ,通过流过 的电流 ,直接 投稿时间:2 0 1 1 - 0 3 — 1 7 作者简介 :马年骏 ( 1 9 9 0 一),男,江苏南京人 ,上海电力学院学生 ,主要研究方向:电气 自动化 . 开发与应用 能 源研 究 与管 理2011(4)·67· 将 电能转变为光能 ,故也称光 电转换器.因其不存 在摩擦损耗和机械损耗 ,所 以在节能方 面比一般的 光源效率高 ,但是 L E D光源并不能像一般的普通光 源一样可以直接使用 电网电压 ,它必须配置一个 电 压转换装置 ,提供满足其额定 的电压 、电流 ,才能 正常使用 ,即LED驱动电源.但是各种不同的 L E D 电源其性 能和转换效 率各不相 同 ,所 以选 择合适 、 高效的 L E D驱动 电源 ,才能真正体现 L E D光源的 高效特性 . 1 L E D电源基本 工作原理 采用隔离变压器 、P F C ( 功率 因素校正 ,P o w e r F a c t o r C o r r e c t i o n ) 控制实现开关电源 ,输 出恒定的电 流和电压 ,驱动 L E D灯.电路的总体框图见图 1 . 图1LED电源总体框图 对 于主 电路部分 ,L E D抗浪涌 的能力 比较差 , 特别是抗反向电压能力 ,加强这方面的保护很重要 , L E D 电源若用于路灯装在户外更要加强浪涌 防护 . 由于电网负载的启动和雷击的感应 , 从 电网系统会侵 入各 种浪涌 ,有些 浪涌会导致 L E D的损坏 .因此 L E D驱动电源应具有抑制浪涌侵入 , 保护 L E D不被 损坏的能力 .E MI 滤波 电路 主要防止电网上的谐波 干扰串人模块 ,影响控制电路的正常工作.三相交流 电经过全桥整流后变成脉动的直流在滤波电容和电感 的作用下 ,输 出直流 电压.主开关 D C/ A C电路将 直流电转换为高频脉冲电压在变压器的次级输出.变 压器输 出的高频脉 冲经过高频整流、L C ( 无源)滤波和EMI 滤波,输 出LED路灯需要的直 流电.PWM ( 脉宽调制)控制 电路采用电压电流双环控制, 以实现对输出电压的调整和输出电流的限制 .反馈 网 络采用恒流恒压器件和比较器 .反馈信号通过光耦送 给PFC器件 ( 本文选用 S T公 司的 L 6 5 6 2 A) . 由于 使用 了PFC器件 ,可以使模块 的功率因数达到 0 . 9 5 以上圈.控制 电路根据在输 出端进行 的取样 ,通过与预 先设定 的基准 电压进行 比较实现对逆变部分 的控制 , 进而改变开关管 的输 出占空 比,实现稳定输 出.另外,根据取样和检测电路 , 通过控制电路可实现对整 机的各种保护. 2 L E D电源设计思路 2 . 1 恒流驱动方式的优势 L E D路灯是低电压 、大电流 的驱动器件 ,其发 光 的强度 由流过 L E D的电流决定.电流过强会 引起 L E D的衰减 ,电流过弱会影响 L E D的发光强度 .从 理论上来说 ,理想的 L E D驱动方式是采用恒压 、恒流,但考虑驱动器的成本增加 ,因此采用恒流驱动方 式是 比较理想的 L E D驱动方式.此LED驱动方式能 避免 L E D正向电压的改变而引起 电流变动,同时恒 定的电流使 L E D的亮度稳定 ,可以保证大功率 L E D 使用的安全 l 生,达到理想的发光强度. 2 . 2 E MI 滤波器的设计 由于开关 电源工作在通断状态 ,会有很多快速 瞬变过程 ,它本身就是一种 E MI 源 ,它产生的 E MI 信号有很宽的频率范围,又有一定 的幅度.若把这种 电源直接用于数字设备 ,则设备产生的 E MI 信号会 变得更加强烈和复杂.以下从开关 电源的工作原理出 发,探讨其传导干扰抑制的 E MI 滤波器 的设计. E MI 滤波器是一种 由电感和电容组成 的低通滤 波器 ,它能让低频的有用信号顺利通过 ,而对高频干 扰有抑制作用 .怎样才能抑制这些高频干扰信号呢? 无非就是要在信号进入设备之前把它遏制.亦即,在 输入电路部分对高频干扰形成所谓的阻抗失配.失配 越厉害,实现的衰减越理想 , 得到的插人损耗特 陛就 越好.即如果噪音源内阻是低阻抗的, 则与之对接的 E MI 滤波器 的输入 阻抗应该是高阻抗 ( 如电感量很 大的串联电感) ;如果噪音源 内阻是高阻抗的,则E—MI 滤波器的输人阻抗应该是低阻抗 ( 如容量很大的 并联电容) .这个原则也是设计抑制开关电源 E MI 滤 波器必须遵循的【 3 ] . 几乎所有设备的传导干扰都包含共模干扰和差 模干扰,开关电源也不例外.共模干扰是由于载流导 体与大地之间的电位差产生的, 其特点是两条线上的 · 6 8· 能 源研 究与管理2011(4)开发与应用 杂讯电压是同电位同向的;而差模干扰则是 由于载流 导体之间的电位差产生的 , 其特点是两条线上的杂讯 电压是同电位反向的.通常 ,线路上干扰电压的这两 种分量是同时存在的.由于线路阻抗的不平衡,两种 分量在传输中会互相转变 ,情况十分复杂. 在实际使用 中,由于设备所产生的杂讯 中共模 和差模的成分不同,所采用的滤波电路也有变化 ,可 适当增加或减少滤波元件.具体 电路的调整一般要经 过EMI 试验后才能有满意的结果 ,此外安装滤波 电 路时一定要保证接地良好 ,并且输入端和输出端要 良 好隔离 ,否则起不到滤波的效果. 2 . 3 AP F C电路的设计 考虑到将交流 电直接整流滤波后给开关电源供 电时 ,由于 P ~ 3 V I 直流 一直流变换将使交流电网侧 功率因数恶化 ,对交流 电网不利 .造成常规开关 电 源功率 因数低的根源是整流 电路后 的滤波 电容使输 入电流变为尖脉冲.如果整流电路后面不加滤波电 路 ,仅为阻性负载时 ,输入 电流即为正弦波 ,并与 电源 电压同相位 ,功率 因数 为l.功率因数校正技 术 的基本思想是将整流器与滤波电容隔开 ,使整流 电路由容性负载变为阻性负载[ 4 ] . 人们经过努力研制了 P F C电路 ,该种 电路将交 流 电压经全波整流和滤波得到的直流电压进行直流 一 直流变换 ,并使输入电流平均值 自动跟随全波整 现对 P WM 直流变换器稳压输 出和接近单位输 入功 率因数 . 目前 的PFC有两 种 ,分别 为被 动式 P F C ( 也称无源 P F C )和主动式 P F C ( 也称有源式 P F C ) . 被动式 P F C一般采用电感补偿方法使交流输入 的基 波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数 ;被 动式 P F C包 括静 音 式被 动PFC和非 静 音式 被动PFC.被 动式 P F C的功率 因数 只能 达到 0 . 7 ~0 . 8 , 它一般在高压滤波电容 附近.而 主动式 P F C,也就 是有源功率因素校正电路则由电感电容及 电子元器 件组成 ,体积小 、通过专用元件或集成电路去调整 电流 的波形 ,对电流与电压 问的相位差进行 补偿 . 一 般置于桥式整流器与滤波 电容之间 ,实 际上是一 种DC—DC变换器 ,主要有升压 、降压、升压 . 降压 和 回扫型 4 种 .其 中升压型 A P F C变换器在一定输 出功率下可减小输 出电流 ,因而可 以减小输 出滤波 电容的容值和体积 ,同时电路的功率 因素高 、T H D ( 总电流谐波 畸变 ,T o t a l Ha r mo n i c Di s t o r t i o n ) 小、效率高 、应用最为广泛 .而APFC可 以达到较高 的功率因数 ,通常可 达0.98以 上,但 成本也相 对较 高.此外 ,A P F C还可用作辅助 电源 ,因此在使用 AP F C电路中,往往不需要待机变压器 ,而且 A P F C 输 出直流 电压 的纹波很小 ,这种 电源不必采用很大 容量的滤波 电容 . 本设计采用 S T公司推 出的低成本经济型 的有 流的直流基准 电流 ,且保持输 出电压稳定 ,从而实 源功率因数校正控制器件 L 6 5 6 2 A,见图 2 [ 5 ] . F : 一. 黧娶v一— = 3 士i辅嘲一100袖l.....I黪褥2锅黪嚣溉f.5【 l 上1i5M氇}j蓉》.2{基≥2蜇藏一姒夏翟旦3∞一隧S∞ 眦耄2.瞎k--C7一 L 6 5 6 2 A l 袋l d 【 黼9 悠图2基于 L 6 5 6 2 A的PFC电路 2 . 4 散热器的设计 L E D是半 导体发光 ,除部 分功率转 化为 光能 外 ,绝大部分功率都转化为热能 .商家为 了灯具产 品结构的整体优美 ,往往把 电源与 L E D灯体结构紧 密设计在一起 ,L E D的发热与电源的发热叠加 ,这 样电源和 L E D光源都处在恶劣的工作环境 中,当工 作环境的温度超过一定 的温度时,电源及 L E D的寿 命会大打折扣. 本设 的LED驱动电源电路不与散热系统紧贴 在一起 .采取了一些散热措施 :( L ) L E D灯采用铝基 板散热 ;②功率器件均匀排布 , 尽 可能避免将 L E D 驱动电路与散热部分贴近 ;③抑制封装至印刷电路 开发与应用 能 源研 究 与管理 2 0 1 1 ( 4 ) · 6 9· 基板的热阻抗 ;④提高 L E D芯片的散热顺畅性以降 低热阻抗 . 特别要注意 的是 ,为使 开关 电源能正 常工作 , 给集成芯片 ( L 6 5 6 2 A )装上铝板作为散热器 ,可以均摊热量 ,增大有效 的散热面积 ,避免因散热不 良 致使管芯温度超过最高结温 ,使开关电源无法正常 工作 ,甚至损坏芯片【 6 J .散热器通过和芯片表面的紧 密接触使芯片的热量传导到散热器 ,散热器通常是 一 块带有很多叶片 的热的 良导体 ,它的充分扩展的 表面使热的辐射大大增加 ,同时流通的空气也能带 走更 大的热能.这种散热设计结构简单 、成本低廉 , 容易 自制 ,但是不宜用于驱动大功率 L E D的开关电 源.3LED电源 的应用 在传统光源中 ,白炽灯 、荧光灯 、霓虹灯 已经 随处可见 ,人们对它们 的存 在可能 已经熟视无 睹. 在广告行业当中 ,霓虹灯的应用 已是非常普及 ,而LED却应用 较少 .实 际上 ,L E D作 为新 型 的电光 源 ,在制作大型发光立体字和发光标识 中有着明显 的优势 .霓虹灯广告一般控制变压器的输人端 ,以 此进行扫描方式 的变化 ,可 以实现扫描或渐变的同 步 .另 外 ,由于霓虹灯变压 器输 出端是输 出几 k V 的高压 ,所以控制输 出端很 困难 .而LED广告一般 控制开关电源 的输 出端 ,由于开关电源内部有大的 电解 电容 ,如果控制输 出端时 ,当输人端 断开时 , 电源 内部的电解 电容有一个充放 电的过程 ,它能维 持输出端 L E D继续亮一段时间,这样在整个广告扫 描时就会出现不 同步的情况 .再之输 出电压低 ,控 制输 出端成本低 ,可靠性高 . 在电源工作 方式 的选择上 ,不 同的应用都有相 对理想的选择 .比如用于广告工程方 面 ,灯光以渐 变 、扫描 、全彩等为主 ,对变化亮度的均匀性要求 不高 ,选择 L E D 电源以恒压式电源为主,不同支路 上的 L E D灯互相不会产生影响 ,易于控制 ,功率可 以做到很大 ;而用于城市景观方面 ,多数 以常亮 的 方式显示 ,要求亮度均匀 ,选择 L E D电源以恒流式 电源 为主 ,串联在一条 支路上 的LED灯 的亮度均 匀 ,工作稳定性很高 ,即通过 L E D灯的电流不会因 为LED灯发热造成 电流变化 . 4 设计 L E D电源 中面临 的主 要挑 战 尽管国内外市场 L E D产品处于如火如荼 的发展 态势 ,但是 由于 L E D照明是新兴 的产业 ,目前还没 大面积普及和 民用化 ,主要是一些工程试点应用 , 同时没有可 以依照的行业标准 ,每一家设计 的灯具 所需求 的电源在结构 、电气规格上都不一样 .L E D 驱动电源不可避免 的在各方面面临诸多挑 战:①散 热欠佳会造成 L E D光色的改变 ,使发光效率和寿命 明显衰减 ,尤其是关键器件如电容在高温下 的寿命 直接影 响到 电源的寿命 ;~) L E D驱动器应挑战更 高的转换效率 ,尤其是在驱动大功率 L E D时更是如 此 ,因为所有未作为光输 出的功率都作为热量耗散 , 电源转换效率 的过低 ,影响 了LED节能效果 的发 挥;③以大调光 比高效率地对 L E D调光 ,同时能够 保证在高和低亮度 时颜 色特性恒定 ;④ 降低成本 , 目 前在功率较小 ( 1 ~5 W)的应用场合 ,恒流驱动 电源成本所 占的比重已经接近 l / 3 ,已经接近了光源 的成本 ,一定程度上影响了市场推广. 所以,将LED电源标准化从而提高通用性 ,降 低成本 ,以批量化生产提高质量是大家努力实现的 方向和 目标. 5 结语 多彩 的世界需要 L E D来改变 ,选择合适 、高效 的LED专用 电源 ,才能真正展露 出LED光源高效 能的特性.本设计通过优化 电路结构和采用 电压环 反馈 ,限压恒流 ,效率高 ,恒流准 ,范围宽 ,实现 了宽输入 ,稳压恒流输出,避免了 L E D正 向电压的 改变而引起电流变动 ,提高了电源工作效率 ,缩小 了电源体积 ,且散热佳 ,性价 比高 .更重要 的是实 现了 L E D寿命 的最大化 ,同时符合 L E D电源顺应 小型电子设备 " 小 、轻、薄"的发展趋势 ,有利于 促进 L E D电源的发展 ,可供生产商参考 . 参考文献 [ 1 】 吕启 静.乐雷—— 以产 品和系统 的可靠 性 占领市场 [ J ] . 中 国照 明, 2 0 0 8 ( 7 ) : 4 5 . 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