基于SA7527 的LED照明驅(qū)動(dòng)電源的研制

LED 具有高效、長(zhǎng)壽命、低功耗、安全等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于城市景觀裝飾、交通車(chē)站和商業(yè)廣告等公眾設(shè)施. 近年來(lái),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(shù)的不斷發(fā)展,使LED 作為一般照明具有廣泛的應(yīng)用前景.

然而,LED 的輸出光流明數(shù)和波長(zhǎng)同PN 結(jié)的溫度以及電流密切相關(guān). 常規(guī)的驅(qū)動(dòng)電路,如電容降壓電路和開(kāi)關(guān)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(dòng)的要求. 因此,本文從分析L ED 燈珠的驅(qū)動(dòng)特性出發(fā),結(jié)合LED 的驅(qū)動(dòng)特性提出一種自適應(yīng)照明驅(qū)動(dòng)電路. 針對(duì)100 顆規(guī)格為Φ10的高亮白光LED 陣列(功率約為25 W) 進(jìn)行了具體設(shè)計(jì). 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果證明該驅(qū)動(dòng)電路性能良好.

1 　LED 驅(qū)動(dòng)特性

LED 作為半導(dǎo)體冷光光源,它同白熾燈、鹵素?zé)?、汞燈具有明顯不同的驅(qū)動(dòng)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(jié)類(lèi)似,具有死區(qū)電壓. 當(dāng)輸出電壓超過(guò)死區(qū)電壓后,隨著電流的增加,PN 結(jié)電壓變動(dòng)不大. PN結(jié)標(biāo)稱(chēng)工作電流的大小取決于L ED 規(guī)格,如5 - 高亮白光LED ,標(biāo)稱(chēng)值為20 mA ,10 標(biāo)稱(chēng)值為80 mA ,而1 W的L ED 標(biāo)稱(chēng)值電流為360 mA. 另外,PN 結(jié)的壓降大小除了與PN 結(jié)電流和溫度有關(guān)外,它還取決于制造材料特性. 比如:當(dāng)PN 結(jié)溫度為25o ,電流為20 mA 時(shí),5 - 高亮白光PN 結(jié)電壓約3. 1 V ,而5 -高亮黃光LED 的PN 結(jié)電壓約2 V.

1. 2 　光學(xué)特性

電流- 光通量特性是L ED 作為照明設(shè)計(jì)的重要指標(biāo). L ED 輸出光通量的大小同PN 結(jié)的電流大小有關(guān),在規(guī)定電流范圍,輸出光通量同電流成正相關(guān). 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(duì)幾個(gè)不同廠家封裝的子彈頭5 - 高亮白光L ED 樣品的光通量進(jìn)行測(cè)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(shuō)明:本測(cè)試數(shù)據(jù)以廠家提供的樣品為測(cè)試對(duì)象) ;另外,在電流不變的情況下,隨著工作時(shí)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(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn),在PN 結(jié)電流不變條件下,隨著PN 結(jié)溫度的升高,L ED 光源發(fā)出的波長(zhǎng)將向長(zhǎng)波方向移動(dòng).

根據(jù)L ED 驅(qū)動(dòng)特性的分析可見(jiàn):

(1) 不同的L ED 所需的工作電壓、驅(qū)動(dòng)電流不同;

(2) 驅(qū)動(dòng)電流不變的情況下,隨著工作時(shí)間的增加,光通量有所降低;

(3) 驅(qū)動(dòng)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(qiáng)對(duì)時(shí)間和溫度具有相對(duì)穩(wěn)定性. 因此,必須設(shè)計(jì)具有自適應(yīng)功能的L ED 驅(qū)動(dòng)電路,以提供適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷骸Ⅱ?qū)動(dòng)電流,并使其對(duì)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(yīng)調(diào)整,以達(dá)到最佳的照明效果.

2 　具體LED 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

結(jié)合L ED 驅(qū)動(dòng)特性,以功率約為25 W 的辦公室照明燈組驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)為實(shí)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(duì)以上設(shè)計(jì)對(duì)象特性,本文提出了基于開(kāi)關(guān)電源的L ED 自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)方案. 其總體框圖如圖1 所示.

市電(50 Hz ,90 V～264 V) 經(jīng)過(guò)50 Hz 整流后,送入由高頻變壓器初級(jí)繞組和開(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)出周邊電路簡(jiǎn)潔、低浪涌電流、高功率因素、低成本的L ED 驅(qū)動(dòng)電源. 該電源主要包括以下幾個(gè)特性: (1) 寬電壓輸入范圍; (2) 恒流/恒壓特性; (3) 自動(dòng)光衰補(bǔ)償功能.

2. 1 　sa7527 主控芯片

該結(jié)構(gòu)的主控制芯片采用8 腳封裝的sa7527[5 ] . sa7527 是一塊功能強(qiáng)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(dòng)定時(shí)器、過(guò)電壓保護(hù)、零電流檢測(cè)、乘法器、內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)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(shè)計(jì)

根據(jù)開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器的基本理論:輸出功率25 W ,開(kāi)關(guān)頻率取30 kHz 時(shí),選定變壓器磁心為EI25 磁心. 這種結(jié)構(gòu)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(diǎn);考慮到線包損耗與溫升,把電流密度定為4 A/ mm2 ,那么初級(jí)和次級(jí)用0. 41 線徑的漆包線繞制,反饋用0. 19 漆包線;計(jì)算輸入/ 輸出電壓比例關(guān)系確定初/ 次級(jí)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(jí)采用雙線并繞連接的結(jié)構(gòu),次級(jí)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(qiáng)度高、介質(zhì)損耗低的復(fù)合纖維絕緣紙.

2. 3 　功能單元設(shè)計(jì)

2. 3. 1 寬電壓輸入

把輸入整流高壓取樣信號(hào)與輸出的檢測(cè)電壓分別輸入sa7527 乘積運(yùn)算的兩輸入端3 腳和2 腳(MUL 端子和SO 端子) ,運(yùn)算結(jié)果作為PWM的控制信號(hào);當(dāng)輸入電壓降低時(shí),乘積運(yùn)算的結(jié)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?cè)O(shè)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(shè)計(jì)取R1 = 2. 7MΩ , R5 = 27 kΩ.