大功率LED照明電路高效驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究

摘要：大功率發(fā)光二極管因其良好的性能在照明中得到廣泛應(yīng)用。介紹了發(fā)光二極管的電特性，并根據(jù)并聯(lián)、串聯(lián)的特點(diǎn)，對(duì)具有較好穩(wěn)定性與可靠性的LED串并聯(lián)組合電路加以分析。研究了用恒定輸出電流驅(qū)動(dòng)大功率LED組的反激式電路，并給出電路參數(shù)設(shè)計(jì)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，構(gòu)建了10．0 V／1．10 A的輸出電路原型，并在額定負(fù)荷與過載負(fù)荷下進(jìn)行測試，以檢驗(yàn)電流的穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果表明，這個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電路精度高、性能穩(wěn)定、效率高，說明所提出的方法對(duì)于驅(qū)動(dòng)大功率發(fā)光二極管是切實(shí)可行的。
關(guān)鍵詞：LED照明電路；反激式電路；恒定電流；驅(qū)動(dòng)電路

0 引言
作為一種光源，大功率發(fā)光二極管發(fā)光效率高、壽命長、穩(wěn)定性好。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，用LED作為發(fā)光器件，是未來若干年的一種發(fā)展趨勢。
隨著大功率發(fā)光二極管在照明領(lǐng)域的迅速發(fā)展，研究高效的驅(qū)動(dòng)方法顯得越來越重要。發(fā)光二極管是低壓大電流器件，因而小的電壓變化會(huì)引起較大的電流變化。LED的光度主要取決于它的電流：電流太大，會(huì)引起器件性能退化；電流太小又會(huì)影響其亮度。因此，常采用恒定電流驅(qū)動(dòng)大功率發(fā)光二極管。
常規(guī)的線性恒流源電路結(jié)構(gòu)簡單，但由于體積大效率低而不常用。為了提升電源效率，只好用開關(guān)式電源為LED供電。因DC-DC PWM轉(zhuǎn)換器效率高，常用它為LED驅(qū)動(dòng)電路供電。通常，用于LED驅(qū)動(dòng)電路的DC-DC PWM轉(zhuǎn)換器有三種：即BUCK型，BOOST型和BUCK-BOOST型。這三種轉(zhuǎn)換器都是非隔離型轉(zhuǎn)換器。然而，有些隔離型的DC-DC轉(zhuǎn)換器，例如反激式變換器，也可用于LED驅(qū)動(dòng)電路，以獲得恒定輸出電流。反激式變轉(zhuǎn)器副邊濾波電感可以移開，以獲得電氣隔離，同時(shí)減小轉(zhuǎn)換器體積、降低成本。此外，反激式變換器可以將任意個(gè)LED接到任一直流電源，只要調(diào)整變壓器匝比即可，因而這種電路成為眾多LED驅(qū)動(dòng)電路的首選。
最近數(shù)年涌現(xiàn)出許多新的LED驅(qū)動(dòng)電路。諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)浼夹g(shù)一直是各種功率電路研究的課題，旨在獲得大功率、低開關(guān)功耗和低的EMI。由于這些拓?fù)浼夹g(shù)起著電壓一電流轉(zhuǎn)換器的作用，其中又沒有使用電流敏感元件，因而在LED中的應(yīng)用較多。具有自動(dòng)調(diào)壓功能的新穎LED驅(qū)動(dòng)電路，是一個(gè)電流控制、單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)。其中采用了順序移相PWM調(diào)光方法來調(diào)整LED的亮度。此外，LED采用的反激式集成AC-DC轉(zhuǎn)換器一直在研究如何降低其成本、提高輸出以及功率因數(shù)。
本文提出基于反激式變換器的恒定電流電路。作為9個(gè)大功率LED管的驅(qū)動(dòng)電路，其中鎮(zhèn)流器電阻以及輔助電流電路沒有必要，從而提供一個(gè)高效、小體積、低成本LED照明系統(tǒng)。

1 發(fā)光二極管的電氣特性
1．1 發(fā)光二極管的電特性
發(fā)光二極管的核心是PN結(jié)，其伏安關(guān)系與普通二極管相同。從理論而言，LED的正向電流與正向電壓呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，如式(1)所示：

式中：q為電荷；q=1．6×10-5；k為波爾茲曼常數(shù)，k=1．38×10-23J／K；T為熱動(dòng)態(tài)系數(shù)；β為常數(shù)，β取1～2。
當(dāng)電壓加在LED上，N區(qū)電子具有充足能量穿越PN結(jié)進(jìn)入存在空穴的P區(qū)。當(dāng)電子非常接近P區(qū)正電荷時(shí)，兩種電荷“重新組合”。正負(fù)電荷的每一次“重新組合”，就會(huì)以光子形式釋放出某頻率的量子電磁能量。因此，穿越PN結(jié)的電荷越多，發(fā)出的光也就越強(qiáng)。與此同時(shí)，電流也隨著發(fā)出的移動(dòng)電荷成正比增加。因此，LED的亮度隨著流過電流而改變。

圖1反映了試驗(yàn)用發(fā)光二極管的正向電壓與電流的特性、正向電流與亮度的特性(管子型號(hào)為CSHV-NL60SWG4-A2，額定功率1 W，額定電流350 mA，正向電壓為3．4 V，發(fā)光效率為801 m／W)，正向電流是在2．6 V正向電壓下開始流動(dòng)，之后隨正向電壓上升在額定值范圍內(nèi)增加，當(dāng)正向電壓升至3．3～3．5 V時(shí)，正向電流達(dá)額定值350 mA。正向電流增加，亮度也正比增強(qiáng)。
1．2 發(fā)光二極管的連接方法
單個(gè)發(fā)光二極管體形很小，其亮度(取決于驅(qū)動(dòng)電流)不能滿足一般照明要求。為獲得足夠亮度，必須把若干LED相連接，用恒流源為每個(gè)LED供電并保障亮度。有連接方式兩種，即串聯(lián)、并聯(lián)。
并聯(lián)LED可以在不同電流下運(yùn)行，若其中一個(gè)失效(斷開)，其余還可正常運(yùn)行。并聯(lián)的主要不足在于，由于道閘電阻有偏差的緣故，電流均衡以及穩(wěn)定運(yùn)行。此外，道閘電阻隨LED個(gè)數(shù)正比增加。
串聯(lián)連接中，每個(gè)LED的驅(qū)動(dòng)電流必然是等效的，盡管電源與道閘電阻有偏差，以保證電源-負(fù)載系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)作。串聯(lián)電路更為有效，因?yàn)槊總€(gè)LED的亮度穩(wěn)定。串聯(lián)電路的總電壓與電流由LED的接通與損壞(斷開)情況決定的。這種情況會(huì)影響LED的亮度。在最糟糕的情形中，LED一個(gè)一個(gè)地?fù)p壞。

考慮到串聯(lián)、并聯(lián)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，該項(xiàng)目采用LED混聯(lián)(串-并聯(lián))負(fù)載，恒流源電路穩(wěn)定性、可靠性俱佳。如圖2所示。