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大功率LED照明电路高效驱动技术研究

作者:时间:2012-03-06来源:网络收藏

摘要:发光二极管因其良好的性能在中得到广泛应用。介绍了发光二极管的电特性,并根据并联、串联的特点,对具有较好稳定性与可靠性的串并联组合加以分析。研究了用恒定输出电流驱动组的反激式,并给出参数设计。根据驱动方法,构建了10.0 V/1.10 A的输出电路原型,并在额定负荷与过载负荷下进行测试,以检验电流的稳定性。试验结果表明,这个驱动电路精度高、性能稳定、效率高,说明所提出的方法对于驱动发光二极管是切实可行的。
关键词:LED电路;反激式电路;恒定电流;驱动电路

0 引言
作为一种光源,大功率发光二极管发光效率高、寿命长、稳定性好。随着半导体技术的快速发展,用LED作为发光器件,是未来若干年的一种发展趋势。
随着大功率发光二极管在领域的迅速发展,研究高效的驱动方法显得越来越重要。发光二极管是低压大电流器件,因而小的电压变化会引起较大的电流变化。LED的光度主要取决于它的电流:电流太大,会引起器件性能退化;电流太小又会影响其亮度。因此,常采用恒定电流驱动大功率发光二极管。
常规的线性恒流源电路结构简单,但由于体积大效率低而不常用。为了提升电源效率,只好用开关式电源为LED供电。因DC-DC PWM转换器效率高,常用它为LED驱动电路供电。通常,用于LED驱动电路的DC-DC PWM转换器有三种:即BUCK型,BOOST型和BUCK-BOOST型。这三种转换器都是非隔离型转换器。然而,有些隔离型的DC-DC转换器,例如反激式变换器,也可用于LED驱动电路,以获得恒定输出电流。反激式变转器副边滤波电感可以移开,以获得电气隔离,同时减小转换器体积、降低成本。此外,反激式变换器可以将任意个LED接到任一直流电源,只要调整变压器匝比即可,因而这种电路成为众多LED驱动电路的首选。
最近数年涌现出许多新的LED驱动电路。谐振转换器拓扑技术一直是各种功率电路研究的课题,旨在获得大功率、低开关功耗和低的EMI。由于这些拓扑技术起着电压一电流转换器的作用,其中又没有使用电流敏感元件,因而在LED中的应用较多。具有自动调压功能的新颖LED驱动电路,是一个电流控制、单端初级电感转换器(SEPIC)。其中采用了顺序移相PWM调光方法来调整LED的亮度。此外,LED采用的反激式集成AC-DC转换器一直在研究如何降低其成本、提高输出以及功率因数。
本文提出基于反激式变换器的恒定电流电路。作为9个大功率LED管的驱动电路,其中镇流器电阻以及辅助电流电路没有必要,从而提供一个高效、小体积、低成本LED照明系统。

1 发光二极管的电气特性
1.1 发光二极管的电特性
发光二极管的核心是PN结,其伏安关系与普通二极管相同。从理论而言,LED的正向电流与正向电压呈现指数关系,如式(1)所示:
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式中:q为电荷;q=1.6×10-5;k为波尔兹曼常数,k=1.38×10-23J/K;T为热动态系数;β为常数,β取1~2。
当电压加在LED上,N区电子具有充足能量穿越PN结进入存在空穴的P区。当电子非常接近P区正电荷时,两种电荷“重新组合”。正负电荷的每一次“重新组合”,就会以光子形式释放出某频率的量子电磁能量。因此,穿越PN结的电荷越多,发出的光也就越强。与此同时,电流也随着发出的移动电荷成正比增加。因此,LED的亮度随着流过电流而改变。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/200608.htm

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图1反映了试验用发光二极管的正向电压与电流的特性、正向电流与亮度的特性(管子型号为CSHV-NL60SWG4-A2,额定功率1 W,额定电流350 mA,正向电压为3.4 V,发光效率为801 m/W),正向电流是在2.6 V正向电压下开始流动,之后随正向电压上升在额定值范围内增加,当正向电压升至3.3~3.5 V时,正向电流达额定值350 mA。正向电流增加,亮度也正比增强。
1.2 发光二极管的连接方法
单个发光二极管体形很小,其亮度(取决于驱动电流)不能满足一般照明要求。为获得足够亮度,必须把若干LED相连接,用恒流源为每个LED供电并保障亮度。有连接方式两种,即串联、并联。
并联LED可以在不同电流下运行,若其中一个失效(断开),其余还可正常运行。并联的主要不足在于,由于道闸电阻有偏差的缘故,电流均衡以及稳定运行。此外,道闸电阻随LED个数正比增加。
串联连接中,每个LED的驱动电流必然是等效的,尽管电源与道闸电阻有偏差,以保证电源-负载系统的稳定运作。串联电路更为有效,因为每个LED的亮度稳定。串联电路的总电压与电流由LED的接通与损坏(断开)情况决定的。这种情况会影响LED的亮度。在最糟糕的情形中,LED一个一个地损坏。

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考虑到串联、并联各自的优缺点,该项目采用LED混联(串-并联)负载,恒流源电路稳定性、可靠性俱佳。如图2所示。

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关键词: LED 大功率 照明 电路

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