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1、 LED路灯开关电源设计设计方案LED路灯是低电压、大电流的驱动器件,其发光的强度由流过LED的电流决定,电流过强会引起LED的衰减,电流过弱会影响LED的发光强度,因此LED的驱动需要提供恒流电源,以保证大功率LED使用的安全性,同时达到理想的发光强度。用市电驱动大功率LED需要解决降压、隔离、PFC(功率因素校正)和恒流问题,还需有比较高的转换效率,有较小的体积,能长时间工作,易散热,低成本,抗电磁干扰,和过温、过流、短路、开路保护等。本文设计的PFC开关电源性能良好、可靠、经济实惠且效率高,在LED路灯使用过程中取得满意的效果。1 基本工作原理采用隔离变压器、PFC控制实现的开关电源,输
2、出恒压恒流的电压,驱动LED路灯。电路的总体框图如图1所示。LED抗浪涌的能力是比较差的,特别是抗反向电压能力。加强这方面的保护也很重要。LED路灯装在户外更要加强浪涌防护。由于电网负载的启甩和雷击的感应,从电网系统会侵入各种浪涌,有些浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源应具有抑制浪涌侵入,保护LED不被损坏的能力。EMI滤波电路主要防止电网上的谐波干扰串入模块,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DC/AC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、LC滤波和EMI滤波,输出
3、LED路灯需要的直流电源。PWM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TSM101和比较器,反馈信号通过光耦送给PFC器L6561。由于使用了PFC器件使模块的功率因数达到0.95。2 DC/DC变换器DC/DC变换器的类型有多种,为了保证用电安全,本设计方案选为隔离式。隔离式DC/DC变换形式又可进一步细分为正激式、反激式、半桥式、全桥式和推挽式等。其中,半桥式、全桥式和推挽式通常用于大功率输出场合,其激励电路复杂,实现起来较困难;而正激式和反激式电路则简单易行,但由于反激式比正激式更适应输入电压有变化的情况,且本电源系统中PFC输出电
4、压会发生较大的变化,故DC/DC变 换采用反激方式,有利于确保输出电压稳定不变。反激式开关电源主要应用于输出功率为5150 W的情况。这种电源结构是由Buck-Boost结构推演并加上隔离变压器而得到,如图2所示。在反激式拓扑中,由变压器作为储能元件。开关管导通时,变压器储存能量,负载电流由输出滤波电容提供;开关管关断时,变压器将储存的能量传送到负载和输出滤波电容,以补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量。图中T1为高频隔离变压器,VQ1为CMOS功率三极管17N80C3,VD7和VD8是瞬变抑制二极管,VD6为快恢复二极管,VD5为双二极管,C3、C4、C5和C6为电解电容器。Ubout是来自
5、整流桥的脉动直流信号,GD是来自功率因数校正电路的控制信号。变压器的引线l和2组成一个绕组,给PFC器件提供工作电源,引线11和12组成一个绕组,为恒流恒压器件和比较器提供工作电源。3 反馈网络电路3.1 恒流恒压电路本设计使用恒流恒压控制器件TSM101调节输出电压和电流,使之稳定。电路如图3所示。通过TSM101的控制作用,保证了电源恒流(CC)和恒压(CV)工作。图3中,Uout+和Uout-是隔离变压器经过双二极管和电解电容器滤波的电压,再经电感L4和电容滤波后的输出为Uout+和Uout-,为本电源模块的输出电压,直接加在LED路灯上。可调电阻器RV1和RV2分别调节输出电压和电流的
6、大小。R10和R11为22 m的电阻,分别对电源输出的电压和电流采样。TMS101的输出TOUT通过光电耦合器、可控硅和三极管等电路送到L6561的引脚5,通过反馈电路实现恒流控制。器件引脚8接辅助电源,引脚4接变压器T1副边地。3.2 比较器电路采用比较器LM258,电路如图4所示。输出端的采样电阻两端的电压信号VR+和VR-送到比较器LM258,通过与预设电压进行比较,产生电压反馈信号DOUT。VF为变压器T1副边绕组产生的辅助电源。4 PFC电路本设计采用最常见的有源功率因数校正的控制器件L6561。PFC电路工作原理如图5所示。L6561的引脚8为电源输入端,由变压器T1的副边绕组提供
7、;引脚7为驱动信号输出引脚,直接驱动MOS管VQ1;引脚6为参考地,该引脚和主回路的地连在一起;引脚5为过零检测引脚,用于确定何时导通MOS管。变压器T1的引脚1和引脚2组成的绕组,通过电阻将电感电流过零信号传输至该器件的引脚5,同时比较器LM258产生的信号DOUT通过光耦、三极管、可控硅等传输至器件的引脚5,以检测输出电流。引脚4为MOS管电流采用引脚,器件将该引脚检测到的信号与器件内部产生的电感电流信号相比较,来确定何时关断MOS管。图2中电阻R4作为电流检测电阻,采样MOS管电流,该电阻一端接于系统地,另一端同时在MOS管的源极和器件的引脚4。引脚3为器件内部乘法器的一个输入端,该引脚
8、与整流桥电路输出电压相连,确定输入电压的波形与相位,用以生成器件内部的电感电流参考信号。图5中,Ubout经3只电阻分压后传送到引脚3。引脚2为内部乘法器的另一个输入端,同时为电压误差放大器的输出端,引脚1为系统反馈电压的输入端。恒流恒压器件的输出TOUT通过光耦将电压反馈传送到器件的引脚1,形成输出电压的负反馈回路。电阻R28和电容C18连接于器件的引脚1和引脚2之间,用于形成电压环的补偿网络。5 测试结果电源模块电装完后,加上负载,用示波器对关键点测试,图6(a)为整流桥的输出电压Ubrout+,图6(b)为Ubrout+流过电感后的电压Ubout+的波形,图6(c)为双二极管的输出电压U
9、cout+的波形。6 结论采用有源PFC功能电路设计的室外LED路灯电源,内置完整的EMC电路和高效防雷电路,符合安规和电磁兼容的要求。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LED正向电压的改变而引起电流变动,同时恒定的电流使LED的亮度稳定。整机元件较少,电路简单。功率为90 W,功率因数达0.95。根据用户需求可在恒流输出中增加LED温度负反馈,防止LED温度过高。大功率LED驱动电源设计方案摘要：介绍了大功率LED的特性，分析了市场上常见的驱动电源，研究了在路灯照明领域应用中为能更好地发挥大功率LED的优点，驱动电源必须满足大电流输出，以达到
10、理想的发光强度，保证LED 使用寿命。实验表明，采用恒流加温度补偿方式驱动LED 的设计方案可行。大功率LED 的驱动需要直流低电压、大电流，所以传统电源并不适合直接驱动它， 因此普通的降压、稳压电源必须进行必要的改进。笔者特为工作电压为3.4 V、工作电流为350 mA 的大功率LED设计一驱动电源。根据大功率LED 的工作特性，分析市场上常见的驱动电源， 研究了在路灯照明领域的应用， 为了能更好地发挥大功率LED 的优点，驱动电源必须满足大电流输出， 且需要顾及散热、过压、过流、过温保护等多个因素。本方案设计的驱动电源采用散热基板方式， 既能很好地解决散热问题， 采用并联齐纳管的方式来对过
11、压、过流进行保护， 采用具有温度补偿电路来保护出现过温现象， 从而解决了上述几方面问题。1 大功率LED 的光控电路由图1 可知， 220 V 交流电经电容限流、桥式整流、滤波、稳压， 在A， B 两端获得稳定的12 V直流电（见图1）。在白天由于光敏电阻RG 受到自然光的照射呈现低电阻，三极管VT 的基极电位低， 而被反偏置， 因此VT 截止，单向可控硅VS门极为低电平被关断， LED 驱动电路未启动， 所以LED 不亮。到天黑时光敏电阻RG因无光照呈现高电阻， VT 导通， VS 的门极即有正向触发电压而导通， LED 驱动电路启动， LED 通电发光。2 大功率LED 的驱动电源驱动大功
12、率LED 的主要目标是产生正向电流通过器件， 比较理想的白光LED 可采用MBI1802芯片来实现恒流驱动， 它能抑制大功率LED 正向电压改变而造成的电流波动， 可实现可控的正向电流， 保证提供可控的显示亮度。由图2 可知， 通过稳压二极管（D6） 可为MB1802 芯片提供稳定的驱动电压， 此时通过大功率LED 的电流主要由参考电压值和MBI1802 芯片工作电压来决定（见图2）。绝大多数显示器都需要多个LED， 若设计人员灵活地驱动多个LED， 应将所有LED 串联， 确保每颗LED 的电流都相同。同时， 在每个LED 两端并联一个齐纳管， 能为LED 提供开路保护。若要以并联方式驱动白
13、光LED， 每个白光LED 都必须串联一个镇流电阻，为避免通过其电流出现差异， 这些电阻也会消耗功率， 降低电路效率， 所以采用串联方式可驱动多个LED。3 LED 电源的温度补偿及调光电路由于LED 的驱动电流设计为不随温度变化的恒流源， 当LED 周围温度低于安全温度点时， 输出最高容许电流并保持不变； 当LED 周围温度高于安全温度点时， 工作电流就不在安全区内， 这将导致LED 的性能远低于标称数值。如果LED 周围温度过高则是由LED 自身发热导致， 所以为了确保LED 的性能、寿命不受影响， 必须通过电路的温度补偿功能来解决这一问题。由图3 可知， 采用AVR单片机及MBI1802
14、 芯片的工作电压为5 V， 通过MBI1802 的一个外部电阻器Rext，可以调节输出电流的范围为40360 mA，在特定的光照下， 只要不超过LED 的额定电流， 可随意输出电流， 这样用户可以灵活的控制LED 的光强度。同时， MBI1802 芯片的第七脚连接AVR 单片机， 根据温度传感器18B20所测到温度和检测到的光敏电阻RG 的阻值， AVR 单片机通过输出PWM 波到MBI1802 来控制其输出电流， 实现LED的温度补偿， 同时可以精确调节LED 亮度， 进而实现LED 的调光功能。4 恒流效果实验如果LED 的驱动未采用恒流源驱动方式， 那么PN 结半导体器件在正向导通后，
15、结电压VF随环境温度上升而下降， 即-2 mV/， 称PN 结的负温度效应， 该特性直接影响它的发光效率、发光亮度、发光色度。例如当常温30 时， 选择LED 最佳工作电流为135 mA， 当环境温度升到90 ， 结电压VF下降， 工作电流急剧增加到265282 mA；当温度下降至-40 时， 结电压VF上升， 最佳工作电流将从135 mA 减小到27 mA， 发光亮度也随电流的减少而降低， 达不到所需的照度， 如图4 中电流曲线I。通过实验， 利用Excel 软件的图表功能进行取点绘制， 得到恒流效果图（见图4）。从图4 中可以看出， 未采用恒流方式驱动LED， 其工作电流随温度的上升而上升， 但采用恒流方式驱动LED， 其工作电流不随温度的上升而上升， 从而证明恒流方式驱动LED 确实是可行的。5 结论通过MBI1802 芯片来驱动大功率LED， 为其提供恒定的电流， 同时达到理想的发光强度。采用AVR 单片机进行温度补偿和调光控制， 可提高LED 寿命， 实现LED 照度的调节。通过取点实验表明， 该方案的设计原理合理、方案可行， 补偿效果明显。