大功率LED照明電路高效驅動技術研究

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用。介紹了發(fā)光二極管的電特性，并根據并聯(lián)、串聯(lián)的特點，對具有較好穩(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動大功率LED組的反激式電路，并給出電路參數設計。根據驅動方法，構建了10．0 V／1．10 A的輸出電路原型，并在額定負荷與過載負荷下進行測試，以檢驗電流的穩(wěn)定性。試驗結果表明，這個LED驅動電路精度高、性能穩(wěn)定、效率高，說明所提出的方法對于驅動大功率發(fā)光二極管是切實可行的。
關鍵詞：LED照明電路；反激式電路；恒定電流；驅動電路

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。隨著半導體技術的快速發(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)光二極管在照明領域的迅速發(fā)展，研究高效的驅動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，會引起器件性能退化；電流太小又會影響其亮度。因此，常采用恒定電流驅動大功率發(fā)光二極管。
常規(guī)的線性恒流源電路結構簡單，但由于體積大效率低而不常用。為了提升電源效率，只好用開關式電源為LED供電。因DC-DC PWM轉換器效率高，常用它為LED驅動電路供電。通常，用于LED驅動電路的DC-DC PWM轉換器有三種：即BUCK型，BOOST型和BUCK-BOOST型。這三種轉換器都是非隔離型轉換器。然而，有些隔離型的DC-DC轉換器，例如反激式變換器，也可用于LED驅動電路，以獲得恒定輸出電流。反激式變轉器副邊濾波電感可以移開，以獲得電氣隔離，同時減小轉換器體積、降低成本。此外，反激式變換器可以將任意個LED接到任一直流電源，只要調整變壓器匝比即可，因而這種電路成為眾多LED驅動電路的首選。
最近數年涌現(xiàn)出許多新的LED驅動電路。諧振轉換器拓撲技術一直是各種功率電路研究的課題，旨在獲得大功率、低開關功耗和低的EMI。由于這些拓撲技術起著電壓一電流轉換器的作用，其中又沒有使用電流敏感元件，因而在LED中的應用較多。具有自動調壓功能的新穎LED驅動電路，是一個電流控制、單端初級電感轉換器(SEPIC)。其中采用了順序移相PWM調光方法來調整LED的亮度。此外，LED采用的反激式集成AC-DC轉換器一直在研究如何降低其成本、提高輸出以及功率因數。
本文提出基于反激式變換器的恒定電流電路。作為9個大功率LED管的驅動電路，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，其伏安關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)指數關系，如式(1)所示：

式中：q為電荷；q=1．6×10-5；k為波爾茲曼常數，k=1．38×10-23J／K；T為熱動態(tài)系數；β為常數，β取1～2。
當電壓加在LED上，N區(qū)電子具有充足能量穿越PN結進入存在空穴的P區(qū)。當電子非常接近P區(qū)正電荷時，兩種電荷“重新組合”。正負電荷的每一次“重新組合”，就會以光子形式釋放出某頻率的量子電磁能量。因此，穿越PN結的電荷越多，發(fā)出的光也就越強。與此同時，電流也隨著發(fā)出的移動電荷成正比增加。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，之后隨正向電壓上升在額定值范圍內增加，當正向電壓升至3．3～3．5 V時，正向電流達額定值350 mA。正向電流增加，亮度也正比增強。
1．2 發(fā)光二極管的連接方法
單個發(fā)光二極管體形很小，其亮度(取決于驅動電流)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行，若其中一個失效(斷開)，其余還可正常運行。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)定運行。此外，道閘電阻隨LED個數正比增加。
串聯(lián)連接中，每個LED的驅動電流必然是等效的，盡管電源與道閘電阻有偏差，以保證電源-負載系統(tǒng)的穩(wěn)定運作。串聯(lián)電路更為有效，因為每個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。這種情況會影響LED的亮度。在最糟糕的情形中，LED一個一個地損壞。

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