大功率LED路燈照明驅(qū)動(dòng)的研究

1 LED驅(qū)動(dòng)電路研究的意義和價(jià)值

LED由于節(jié)能環(huán)保、壽命長(zhǎng)、光電效率高、啟動(dòng)時(shí)間按短等眾多優(yōu)點(diǎn)，成為了照明領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展迅速。由于LED獨(dú)特的電氣特性使得LED驅(qū)動(dòng)電路也面臨更大的挑戰(zhàn)，LED驅(qū)動(dòng)電路關(guān)系到整個(gè)LED照明系統(tǒng)性能的可靠性。因此為防止LED的損壞，這些都要求所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)控制LED輸出電流。目前采用的穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)電路，存在穩(wěn)流能力較差的缺點(diǎn)，從而導(dǎo)致LED壽命大為縮短。

當(dāng)前，直流輸入LED驅(qū)動(dòng)電源已經(jīng)發(fā)展了較長(zhǎng)的一段時(shí)間，電路已比較成熟，而用于市電輸入照明的LED驅(qū)動(dòng)電路，很多采用交流輸入電容降壓及工頻變壓器降壓，電源體積過(guò)大，輸出的電流穩(wěn)定性差，性能很低。目前針對(duì)市電輸入的降壓驅(qū)動(dòng)電路是當(dāng)前LED驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。LED照明時(shí)一種綠色照明，其驅(qū)動(dòng)電源的輸出功率較小，在此情況下實(shí)現(xiàn)電源的高效率是另一大難點(diǎn)。同時(shí)，由于LED的使用壽命理論上長(zhǎng)達(dá)10 萬(wàn)小時(shí)，這要求驅(qū)動(dòng)電源很高的可靠性。

綜上，根據(jù)市場(chǎng)需求，為L(zhǎng)ED提供性能優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)電路，具有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和實(shí)用意義。

2 概述

大功率LED現(xiàn)在還不能大規(guī)模取代傳統(tǒng)的白熾燈，但它們?cè)谑覂?nèi)外裝飾、特種照明方面有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，因此掌握大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)于開拓大功率LED的新應(yīng)用至關(guān)重要。

照明是人類消耗能源的一個(gè)重要方面，據(jù)研究統(tǒng)計(jì)，若使用固態(tài)LED 光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的白熾燈和熒光燈照明，將節(jié)約全球照明能耗的50%以上，有助于緩解當(dāng)前越來(lái)越緊迫的能源和環(huán)境問(wèn)題。城市道路照明是重要的LED應(yīng)用領(lǐng)域，LED路燈照明裝置能否實(shí)際應(yīng)用推廣的關(guān)鍵因素之一是其驅(qū)動(dòng)電源的優(yōu)劣。LED路燈驅(qū)動(dòng)電源需要較高的輸出功率，工作環(huán)境較為復(fù)雜，要求有較高的電磁兼容性，且由于LED本身的壽命很長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)電源的可靠性也被要求與之匹配。現(xiàn)階段，市場(chǎng)上的LED路燈驅(qū)動(dòng)電源大多無(wú)法滿足以上要求。

3 設(shè)計(jì)方案

HV9910 應(yīng)用恒定頻率峰值電流控制的脈寬調(diào)制(PWM) 方法，采用了一個(gè)小電感和一個(gè)外部開關(guān)來(lái)最小化LED驅(qū)動(dòng)器的損耗。不同于傳統(tǒng)的PWM控制方法，該驅(qū)動(dòng)器使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的開/ 關(guān)控制來(lái)調(diào)整LED的電流，因而簡(jiǎn)化了控制電路的設(shè)計(jì)。

該驅(qū)動(dòng)器具有內(nèi)置的降低亮度控制，能協(xié)同外部衰減范圍在0 至100%的PWM信號(hào)工作，也可以利用其衰減引腳上外接的任意可在0至最大值之間調(diào)整的線性控制電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)亮度控制。HV9910 適用于LED常規(guī)或裝飾燈、替代氖燈的LED以及其它高壓交/ 直流輸入的應(yīng)用。

3.1 電源的主要技術(shù)參數(shù)

3.2 HV9910B路燈方案原理圖

3.3 電路的特點(diǎn)

1) 無(wú)需電解電容及變壓器，這樣他增加了電源的使用壽命。如果LED驅(qū)動(dòng)器理有電解電容，那壽命主要取決于電解電容，電解電容的使用壽命有一個(gè)大家公認(rèn)的近似計(jì)算法則：既溫度每下降10 度使用壽命增加一倍。比如說(shuō)標(biāo)稱105 度2000 小時(shí)的電解電容，在65 度下使用壽命大約是32000 小時(shí)。

2) 高效率。這款靈活簡(jiǎn)單的LED驅(qū)動(dòng)器IC效率超過(guò)93%,可減少相關(guān)元件的數(shù)量，從而降低了系統(tǒng)成本。HV9910 可將調(diào)整過(guò)的85V至265Vac 或8V至450Vdc 電壓源轉(zhuǎn)換為一個(gè)恒流源，從而為串連或并聯(lián)的高亮LED提供電源。

3) 電路簡(jiǎn)單，僅需一個(gè)芯片HV9910 的實(shí)現(xiàn)就能實(shí)現(xiàn)所有的功能，沒有用到變壓器，提高了功率的效率，減少了空間，增加了系統(tǒng)的可靠性。

3.4 電磁兼容，高PFC、過(guò)EMI

采用高PFC 功能電路設(shè)計(jì)的室外LED 路燈電源，內(nèi)置完善的EMC電路和高效防雷電路，符合安規(guī)和電磁兼容的要求。再用電壓環(huán)反饋，限壓恒流，效率高，恒流準(zhǔn)，范圍寬，實(shí)現(xiàn)了寬輸入，穩(wěn)壓恒流輸出，避免了LED正向電壓的改變而引起電流變動(dòng)，同時(shí)恒定的電流使LED得亮度穩(wěn)定。整機(jī)元件少，電路簡(jiǎn)單。

3.5 電源的PCB設(shè)計(jì)

本文在PCB 布局過(guò)程中，將易受干擾的元器件、輸入與輸出元件、具有較高的電位差的元器件或?qū)Ь€間距離盡可能加大，提高電路的抗干擾能力。

本文遵守以下原則進(jìn)行PCB布線：

1) 盡量避免相鄰的線平行排列，平行走線的最大長(zhǎng)度小于3cm,避免線間電容使電路發(fā)生反饋耦合和電磁振蕩;

2) 為避免高頻回路對(duì)整個(gè)電路的影響，盡可能減小其面積，并使用較細(xì)的導(dǎo)線;

3) 合理設(shè)計(jì)PCB導(dǎo)線的寬度，電源進(jìn)線線寬1.5mm,開關(guān)電源輸入線的相線與中線間距3.5mm,電源地與輸出地間距、變壓器的初級(jí)與次級(jí)間距均大于8mm;

4) PCB的地線和電源輸出線應(yīng)盡可能采用較寬的線。

合理選擇接地方式是是抑制干擾的重要方法。低頻電路中接地電路形成的環(huán)流對(duì)電路干擾較大，因而采用單點(diǎn)接地。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz 時(shí)，地線阻抗變得很大，采用就近多點(diǎn)接地來(lái)降低地線阻抗。當(dāng)工作頻率在1~10MHz 時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)波長(zhǎng)的1/20,否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。本文在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，采用了兩級(jí)控制電路分別就近單點(diǎn)接地的方式。

4 本文小結(jié)

本文主要通過(guò)對(duì)電源的各個(gè)電路模塊(EMI 電路，輸入整流濾波電路) 和反饋電路和PWM控制回路的設(shè)計(jì)達(dá)到對(duì)LED電源的優(yōu)化。

大功率LED照明技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景，因而受到普遍的關(guān)注和投資者的追捧?，F(xiàn)階段，由于LED芯片設(shè)計(jì)和制造技術(shù)及材料等諸多因素的限制，它暫時(shí)還不能完全取代傳統(tǒng)的白熾燈，因而人們更為關(guān)注大功率LED在路燈照明中的應(yīng)用。