基于SA7527 的LED照明驅(qū)動電源的研制

LED 具有高效、長壽命、低功耗、安全等優(yōu)點,已被廣泛應用于城市景觀裝飾、交通車站和商業(yè)廣告等公眾設施. 近年來,隨著單晶單管L ED 的輸出功率、發(fā)光效率以及高功率封裝技術的不斷發(fā)展,使LED 作為一般照明具有廣泛的應用前景.

然而,LED 的輸出光流明數(shù)和波長同PN 結的溫度以及電流密切相關. 常規(guī)的驅(qū)動電路,如電容降壓電路和開關穩(wěn)壓電路,將引起LED 的提前老化,不能有效滿足LED 照明驅(qū)動的要求. 因此,本文從分析L ED 燈珠的驅(qū)動特性出發(fā),結合LED 的驅(qū)動特性提出一種自適應照明驅(qū)動電路. 針對100 顆規(guī)格為Φ10的高亮白光LED 陣列(功率約為25 W) 進行了具體設計. 實驗測試結果證明該驅(qū)動電路性能良好.

1 　LED 驅(qū)動特性

LED 作為半導體冷光光源,它同白熾燈、鹵素燈、汞燈具有明顯不同的驅(qū)動特性.

1. 1 　電參數(shù)特性

電流- 電壓特性是LED 的基本物理特性,它同一般PN 結類似,具有死區(qū)電壓. 當輸出電壓超過死區(qū)電壓后,隨著電流的增加,PN 結電壓變動不大. PN結標稱工作電流的大小取決于L ED 規(guī)格,如5 - 高亮白光LED ,標稱值為20 mA ,10 標稱值為80 mA ,而1 W的L ED 標稱值電流為360 mA. 另外,PN 結的壓降大小除了與PN 結電流和溫度有關外,它還取決于制造材料特性. 比如:當PN 結溫度為25o ,電流為20 mA 時,5 - 高亮白光PN 結電壓約3. 1 V ,而5 -高亮黃光LED 的PN 結電壓約2 V.

1. 2 　光學特性

電流- 光通量特性是L ED 作為照明設計的重要指標. L ED 輸出光通量的大小同PN 結的電流大小有關,在規(guī)定電流范圍,輸出光通量同電流成正相關. 不同的制造封裝廠家生產(chǎn)的相同規(guī)格的L ED ,它們的電流- 光通量具有較大的區(qū)別. 在20 mA 條件下對幾個不同廠家封裝的子彈頭5 - 高亮白光L ED 樣品的光通量進行測試,發(fā)現(xiàn)其光通量分別為4 lm、3. 54 lm、3 lm、2. 5 lm ,有較大差別(說明:本測試數(shù)據(jù)以廠家提供的樣品為測試對象) ;另外,在電流不變的情況下,隨著工作時間的增加,光通量均有所降低.

1. 3 　溫度特性

光譜特性是L ED 光源顯色指數(shù)和色溫的重要依據(jù). 實驗測試發(fā)現(xiàn),在PN 結電流不變條件下,隨著PN 結溫度的升高,L ED 光源發(fā)出的波長將向長波方向移動.

根據(jù)L ED 驅(qū)動特性的分析可見:

(1) 不同的L ED 所需的工作電壓、驅(qū)動電流不同;

(2) 驅(qū)動電流不變的情況下,隨著工作時間的增加,光通量有所降低;

(3) 驅(qū)動電流不變的情況下,隨著溫度的升高光通量降低. 而L ED 作為一般照明必須保證其輸出光強對時間和溫度具有相對穩(wěn)定性. 因此,必須設計具有自適應功能的L ED 驅(qū)動電路,以提供適當?shù)墓ぷ麟妷?、?qū)動電流,并使其對工作溫度等外部條件變化引起的出光特性變化作出自適應調(diào)整,以達到最佳的照明效果.

2 　具體LED 驅(qū)動電路設計

結合L ED 驅(qū)動特性,以功率約為25 W 的辦公室照明燈組驅(qū)動電源的設計為實例. 其中,使用100顆Φ10 - L ED ,采用L ED 陣列聯(lián)接形式,即: 20 顆燈珠串聯(lián),然后5 串并聯(lián).

針對以上設計對象特性,本文提出了基于開關電源的L ED 自適應驅(qū)動方案. 其總體框圖如圖1 所示.

市電(50 Hz ,90 V～264 V) 經(jīng)過50 Hz 整流后,送入由高頻變壓器初級繞組和開關管組成的主回路,經(jīng)高頻變壓、整流得到所需的輸出. 利用sa7527 可以設計出周邊電路簡潔、低浪涌電流、高功率因素、低成本的L ED 驅(qū)動電源. 該電源主要包括以下幾個特性: (1) 寬電壓輸入范圍; (2) 恒流/恒壓特性; (3) 自動光衰補償功能.

2. 1 　sa7527 主控芯片

該結構的主控制芯片采用8 腳封裝的sa7527[5 ] . sa7527 是一塊功能強大的芯片,它除了通用的PWM 控制芯片的功能外,還提供了內(nèi)置R/ C濾波器、啟動定時器、過電壓保護、零電流檢測、乘法器、內(nèi)部帶隙基準以及特殊防擊穿電路等功能,內(nèi)部框圖如圖2.

2. 2 　高頻變壓器設計

根據(jù)開關電源高頻變壓器的基本理論:輸出功率25 W ,開關頻率取30 kHz 時,選定變壓器磁心為EI25 磁心. 這種結構的磁心與環(huán)形磁心相比具有線圈繞制方便、分布參數(shù)影響小、磁心窗口利用率高、散熱性好、系統(tǒng)絕緣可靠等優(yōu)點;考慮到線包損耗與溫升,把電流密度定為4 A/ mm2 ,那么初級和次級用0. 41 線徑的漆包線繞制,反饋用0. 19 漆包線;計算輸入/ 輸出電壓比例關系確定初/ 次級匝數(shù)比為:120 匝:40 匝,另外再加8 匝sa7527 反饋繞組.

為了減小分布參數(shù)的影響,初級采用雙線并繞連接的結構,次級采用分段繞制,串聯(lián)相接的方式. 在變壓器的絕緣方面,線圈絕緣選用抗電強度高、介質(zhì)損耗低的復合纖維絕緣紙.

2. 3 　功能單元設計

2. 3. 1 寬電壓輸入

把輸入整流高壓取樣信號與輸出的檢測電壓分別輸入sa7527 乘積運算的兩輸入端3 腳和2 腳(MUL 端子和SO 端子) ,運算結果作為PWM的控制信號;當輸入電壓降低時,乘積運算的結果減小,使PWM 脈寬輸出增大,保證了在寬輸入范圍條件下輸出的穩(wěn)定.

由于sa7527 乘法器MUL 端子的電壓輸入范圍為0～3. 8 V ,為了保證輸入電壓的寬范圍,我們設正常工作電壓2 V (近似中間值) . 因此,高壓分壓電阻比為:

(270 V 近似為正常220 V交流輸入的全波整流濾波后的電壓值) ,由于MUL端的輸入電流最大為5μA ,若該取樣電路的功率為1/ 8 W ,那么R5 + R1E900 kΩ. 故本設計取R1 = 2. 7MΩ , R5 = 27 kΩ.