一種長(zhǎng)壽命LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案

　　本文主要針對(duì)現(xiàn)有LED驅(qū)動(dòng)電路因存在電解電容而縮短其壽命的缺點(diǎn)，提出了一種無(wú)電解電容的LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案。該方案以延長(zhǎng)電路使用壽命為主題，以開(kāi)關(guān)電源與線性電源相互結(jié)合為基礎(chǔ)，揚(yáng)長(zhǎng)避短充分利用各自的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源具有高效率的能量變換的特點(diǎn)而線性電源具有無(wú)輸出紋波的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)方案充分利用其各自的優(yōu)勢(shì)來(lái)替代電解電容濾波，有效的解決了現(xiàn)有 LED驅(qū)動(dòng)電路存在壽命短的問(wèn)題。這款LED驅(qū)動(dòng)電路無(wú)大容量電解電容，小型電容可以采用長(zhǎng)壽命的薄膜電容等容性元件，使其具有壽命長(zhǎng)、效率高、紋波電流小特點(diǎn)，并且具有較高的安全性和穩(wěn)定性。

　　1.前言

　　LED（發(fā)光二極管）為新一代的綠色照明光源，具有節(jié)能、環(huán)保、高亮度、長(zhǎng)壽命等諸多優(yōu)點(diǎn)。它不僅是照明光源的新寵，也與人們的生活戚戚相關(guān)。因此，研制長(zhǎng)壽命的驅(qū)動(dòng)電源，構(gòu)建高效率、低成本、高功率因數(shù)和是LED燈發(fā)光品質(zhì)和整體性能的關(guān)鍵，也是 LED照明技術(shù)發(fā)展的需要。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)現(xiàn)有的白熾燈泡壽命比LED燈少約40倍。因?yàn)榘l(fā)光二級(jí)管不僅是直流電流驅(qū)動(dòng)器件，也是光電轉(zhuǎn)換器，有將光電轉(zhuǎn)換的功能。它的作用主要是通過(guò)流動(dòng)電流，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽埽云鋬?yōu)勢(shì)是比一般的光源的節(jié)能效率和工作壽命都要高。但是，在LED驅(qū)動(dòng)電源的整流電路和濾波電路中一般需要使用大容量的電解電容。電解電容器的壽命一般為l05℃/2000h，就是說(shuō)當(dāng)電容周圍溫度升高到105℃時(shí)其壽命只有84天，即使工作在溫度為85℃的環(huán)境中，使用壽命也僅為332天，所以電解電容是阻礙LED驅(qū)動(dòng)電路壽命的主要原因。為了提高驅(qū)動(dòng)電源的壽命，有必要去掉電解電容，為此文中提出一種無(wú)電解電容的高亮度LED驅(qū)動(dòng)電源。

　　2.LED驅(qū)動(dòng)電路的工作原理

　　本設(shè)計(jì)方案電路的總體框圖如圖1所示：

　　電路拓?fù)洳捎梅醇な酵負(fù)潆娐?、利用PWM控制開(kāi)關(guān)頻率，使其輸出恒定的電流和電壓，驅(qū)動(dòng)LED燈。主要包括：前級(jí)保護(hù)電路、EMI濾波電路、整流電路、RCD鉗位電路、同步整流電路、功率轉(zhuǎn)換電路、輸出濾波電路、反饋電路、控制電路等。

　　為了使電路受電磁干擾較小，將EMI濾波電路接在前級(jí)保護(hù)電路后，通過(guò)它將電路中的高次諧波和電路中的浪涌濾除。

　　在輸入整流部分上，分別由橋式整流電路及π型濾波電路構(gòu)成，因?yàn)槎O管具有單向?qū)ǖ奶匦?，所以橋式整流電路可以將交流電轉(zhuǎn)換為單向的直流電，而后在π型濾波電路的作用下，輸出穩(wěn)定直流電壓。

　　再由控制電路調(diào)節(jié)和控制使輸出達(dá)到設(shè)計(jì)值，最后經(jīng)過(guò)輸出濾波電路，使輸出波紋減小變成直流電，最后將直流電輸出給LED使用。

　　3.LED驅(qū)動(dòng)電路的具體設(shè)計(jì)

　　3.1 輸入電路的設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)電路的指標(biāo)為：輸入交流電壓Vin:90-264 VAC/50-60Hz;輸出電壓Vo:27VDC;輸出電流Io:0.68A.

　　如圖2所示，輸入電路包括安全保險(xiǎn)裝置、EMI噪聲濾波裝置、橋式整流電路和π型濾波電路。

　　如圖2所示，為了減少在1MHz的頻段內(nèi)的電磁干擾，由電容C1、C2和電感L1、L2組成了EMI噪聲濾波電路。安全保險(xiǎn)裝置由保險(xiǎn)絲和 ZNR組成，當(dāng)有危害電路的尖峰電流產(chǎn)生的時(shí)候，保險(xiǎn)絲會(huì)迅速切斷電路以保護(hù)負(fù)載；ZNR是浪涌吸收器，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路的輸入端出現(xiàn)靜電和浪涌時(shí)它會(huì)變得阻抗很高，因此可以保護(hù)后面的電路。橋式整流濾波電路，它的作用是將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，其后的π型濾波器的作用濾除電路中電壓與電流的波紋。

　　3.1.1 EMI濾波器的設(shè)計(jì)

　　EMI濾波電路圖如圖3所示，EMI濾波電路在整流橋前，由差模電容CX1和CX2，主要用于衰減差模干擾，其值一般較大。

　　為了減少差模干擾，所以在整流橋后添加由C1、C2和L1組成π型差模濾波器。

　　EMI濾波電路中的差模電容選用X安規(guī)電容，安全等級(jí)為X2，其耐壓值2500V，其中CX1=0.47uF，CX2=0.01uF.共模電感LX1為7mH和LX2為1mH.整流橋后π型濾波電路的C1和C2濾波電容選用耐壓450V的薄膜電容，其電容值為0.22uF;差模電感L1大小為1mH.

　　從圖4中可以看出，當(dāng)頻率高過(guò)1KHZ時(shí)噪聲信號(hào)會(huì)有明顯的下降?？梢钥闯鲈撾娐房梢杂行У亟档透哳l干擾。

　　3.1.2 整流橋二極管的選擇

　　整流橋二極管的電壓應(yīng)力為：

　　考慮裕量，選用H D 0 6 （ V R = 6 0 0 V，IFAN=0.8A）。

　　3.2 高頻反激變壓器的設(shè)計(jì)

　　3.2.1 變壓器的參數(shù)的設(shè)計(jì)

　?。?）使用90Vac輸入電壓和9串負(fù)載做為最差工作條件來(lái)設(shè)計(jì)。

　　3.2.2 變壓器的仿真

　　如圖5所示，變壓器工作在DCM條件下原邊與副邊的電路電流波形圖。從圖中可以看出原邊電流Ipm與副邊電流Ism的值總是在從0開(kāi)始增加，變壓器工作在此狀態(tài)可以保證能量的基本完全傳遞。

　　3.3 輸出電路的設(shè)計(jì)

　　如圖6所示。輸出電路由整流二極管D4，濾波電容C9，C10和穩(wěn)壓管D5組成。

　　3.3.1 輸出整流二極管的選擇輸出整流二極管D4的選擇標(biāo)準(zhǔn)：額定電壓應(yīng)大于1.5倍的輸入電壓，額定電流應(yīng)當(dāng)大于2倍的輸出電流，反向恢復(fù)時(shí)間小于100ns.綜上所述，D4選擇為MB220，其參數(shù)為：200mA，100V，trr=50ns.

　　3.3.2 輸出電容的選擇

　　如圖6所示，C9和C10是輸出濾波電容，由于輸出負(fù)載是LED串，根據(jù)LED的伏安特性，LED 正向?qū)妷旱妮^小的波動(dòng)，都會(huì)導(dǎo)致LED導(dǎo)通電流較大的變動(dòng)，因此要控制輸出的紋波電壓，而且在控制環(huán)節(jié)采用電流補(bǔ)償和提高開(kāi)關(guān)頻率的技術(shù)，使得在不增大紋波電壓的情況下適當(dāng)?shù)臏p小輸出電容值，因此這里選用的是四個(gè)22nF/50V的電解電容并聯(lián)。

　　3.3.3 穩(wěn)壓管的選擇

　　如圖6所示，D 5為輸出電路中的穩(wěn)壓管，因?yàn)楫?dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)斷的瞬間將會(huì)有反向電流流過(guò)IPD，這種反向電流將會(huì)導(dǎo)致器件損壞，所以應(yīng)在輸出電路中添加穩(wěn)壓管。使用的穩(wěn)壓管應(yīng)達(dá)到指標(biāo)：I D》2？Io=2×0.68=1.36A，UD》Uo=27V，反向恢復(fù)時(shí)間trr《100ns.考慮裕量，所以本設(shè)計(jì)采用的器件為 MB220，其設(shè)計(jì)的參數(shù)為：2A/43V/50ns.，。

　　如圖7 所示， 負(fù)載的電流波形圖為i（p），負(fù)載的輸出電壓波形圖為out，從圖中可以看出，輸出電壓穩(wěn)定在27.8V，輸出電流穩(wěn)定在0.68A.

　　3.4 有源紋波補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)

　　3.4.1 有源紋波補(bǔ)償理論

　　因?yàn)楝F(xiàn)有的L C濾波電路無(wú)法完全濾除紋波，而且電容量小的電容濾波效果更差，所以傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源輸出波紋大，若流過(guò)LED的電流紋波過(guò)大將不僅影響了LED的光效，而且影響LED的光衰，特別是電解電容由于它的使用壽命短，從而嚴(yán)重的縮短了開(kāi)關(guān)電源和LED的使用壽命。因此，從研究小電容量入手、以輸出紋波小、能量變換效率高為內(nèi)容，以使用的安全性和長(zhǎng)期性為目的，構(gòu)建新型驅(qū)動(dòng)電源，是十分重要的和必要的，是當(dāng)前急需解決的問(wèn)題，具有一定的科學(xué)性和可靠性。

　　文獻(xiàn)［4］在總結(jié)主輔補(bǔ)償電路的基礎(chǔ)上，采用線性電源對(duì)電感紋波電流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?，其電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。通過(guò)檢測(cè)電阻R1的電壓來(lái)檢測(cè)電感紋波電流，放大器輸出與電感紋波電流反向的補(bǔ)償電流通過(guò)電阻R5將電感紋波電流補(bǔ)償。該電路通過(guò)用電阻匹配來(lái)解決紋波電流補(bǔ)償問(wèn)題，容易實(shí)現(xiàn)；并且省去電解電容，使得電源的使用壽命能夠延長(zhǎng)。

　　3.4.2 有源紋波補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)與仿真

　　如圖9所示，有源紋波補(bǔ)償電路由三極管，運(yùn)算放大器A1，A2，和電感電流檢測(cè)電阻組成。其原理是通過(guò)檢測(cè)電感兩端的電流，通過(guò)運(yùn)算放大器A1和A2比較后控制三極管的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電流的補(bǔ)償。

　　如圖10所示，圖i（p）為電感輸出電流，圖i（e）為補(bǔ)償電流，二者疊加后為輸出到二極管的電流。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償電路對(duì)LED電流的補(bǔ)償可以有效地減小電流波紋。

　　4.結(jié)束語(yǔ)

　　目前LED驅(qū)動(dòng)電路中，影響驅(qū)動(dòng)電路整體壽命的主要因素是儲(chǔ)能電容，所以本設(shè) 計(jì)采用線性電源抑制輸出波紋，達(dá)到減小儲(chǔ)能電容的電容量的目的，因此可以在不增加輸出波紋的情況下采用壽命長(zhǎng)的薄膜電容取代電解電容，從而提高LED驅(qū)動(dòng)電路的整體壽命。從仿真結(jié)果來(lái)看，采用以有源紋波補(bǔ)償后，電路運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求，這說(shuō)明此方法能夠有效的提高了驅(qū)動(dòng)電路的使用壽命。