大功率LED照明电路高效驱动技术研究

张小洁，李 梅，刘廷章

（1.陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000；2.上海大学，上海 200444）

1 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照明领域的迅速发展，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，但体积大、效率低，不常用。为了提升电源效率，只好用开关式电源为LED供电。DC-DC PWM转换器效率高，常用来为LED驱动电路供电。通常，用于LED驱动电路的DC-DC PWM转换器有BUCK型、BOOST型、BUCK-BOOST型3种，这3种都是非隔离型转换器［4、5］。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-电流转换器的作用，其中又没有使用电流敏感元件，因而对LED的应用也有兴趣。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。

回顾以上，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，可提供一个高效、小体积、低成本LED照明系统。

2 发光二极管的电气特性

2.1 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。从理论上讲，LED的正向电流与正向电压呈现指数关系，如式（1）所示。

式中：电荷 q＝1.6×10-9C，波茨曼常数 K＝1.38×10-23J／K，T 为热动态系数，常数 β＝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。

图1所示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：CSHV-NL60SWG4-A2，额定功率 1W，额定电流 350mA，正向电压 3.4V，发光效率 801m／W）。正向电流是在2.6V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3.3V-3.5V时，正向电流达额定值350mA。正向电流增加，亮度也正比增强。

图1 发光二极管的输出特性

2.2 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。有串联、并联两种连接方式。

并联LED可以在不同电流下运行，特别是若其中一个失效（断开），其余可正常运行。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。甚至造成LED一个一个地损坏。

考虑到串联、并联各自的优缺点，本项目采用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。

图2 混联接法

图3 LED驱动电路图

3 驱动电路

3.1 电路状态

本项目提出了由反激式DC-DC转换器组成的LED驱动电路，它带有恒定输出电流控制功能，驱动LED照明电路。有了这种驱动电路，整个LED照明电路就变得体积小、重量轻，效率较高。驱动9个大功率LED的电路如图3所示，其中T1是高频变压器，C1是输入滤波电容，C2是输出滤波电容，Ei是直流输入电压（桥式整流电压中的），Vo是输出电压，Ii是输入电流，Io是输出电流，Di是整流二极管，Rd是电流检测电阻。U1是MOSFET做成的功率管理集成电路，U2是光电偶，用以光电隔离；U3是比较器。

恒定电流输出电路的依据是负反馈原理。高频变压器T1将能量从输入端传递到输出端。在集成MOSFET“导通”期间，T1在原绕组中储存能量，输出电流仅由输出滤波电容C2供给。在MOSFET“关断”期间，变压器储存的能量被传输到LED负载与C2上，这时C2被充电。输出电流由Rd检测并转换为电压。通过比较检测电压与参考电压，U3产生一个控制信号。U1根据相应的控制信号调节集成MOSFET的“通／断”时间，从而向LED负载提供恒定输出电流。

3.2 功率管理芯片

本文驱动器所用的功率管理芯片为ICTNY277，属于Tiny-Switch III系列产品。TNY277芯片把高压电源MOSFET与电源调控器集成在一个器件上，采用“通／断”控制技术，成本低，功率可以扩展。TNY277芯片管脚分布如图3所示，其中D脚是功率MOSFET漏极连接处，提供内部启动与稳态运行工作电流；S脚内联到输出MOSFET源极，获得高压电源、控制电路公共端。EN／UV管脚有使能输入、欠压检测两个功能。正常运行期间，功率MOSFET的切换由这个管脚来控制。

3.3 恒定输出电流电路的分析

本文采用反激式变换器的恒定输出电流电路，这一节进行电路参数的分析。

直流输入电压Ei是整流电压VAC形成的，其最大值可表示为：

假设功率MOSFET的切换频率、“导通”时间分别用f、ton来表示，那么，占空比D可按下式定义：

驱动电路的输入功率按下式计算：

其中：Po为输出功率，η为电路效率。原边电流平均值Ii可由下式计算。

假设原边绕组的初始电流为零。在MOSFET“导通”期间，在原边绕组上有一固定电压，其中的电流线性上升。在“导通”期间的末端，原边电流上升到Iip，如图4所示。

图4 输出电流特性示意图

那么，Ii与Iip之间关系可表示为：

电路的输出功率由原边电感与原边电流决定，其中电感Lp可按下式计算。

在MOSFET“断开”期间，励磁电感中的电流迫使原绕组电压极性反转。由于电感中的电流不能瞬间巨变，在“断开”瞬间，原绕组电流传递到副绕组后的大小为：

其中的Np、Ns分别是原绕组、副绕组线圈匝数。

在MOSFET“断开”期间，副绕组电流线性下跌，如图4（b）所示，其平均值按下式计算。

最后，根据式（2）-（9），电路的输出电压可以表示为：

其中：N为原绕组／副绕组的匝比。

假设，图3的参考电压是Vref，Rd检测到的电压是Vdec，稳压管V4的电压是V2，那么

当Vdec大于Vref时，光电偶起作用，MOSFET“关断”，产生输出电流。反过来，当Vdec小于Vref时，光电偶退出运行，MOSFET转而“导通”，输出电流开始增加，最终获得恒定的输出电流。

4 实验结果

根据以上分析，设计并制作了（反激式变换器构成）驱动LED的恒定电流电路原型，其输入电压范围为180-260V交流电，电路输出为10.0V／1.10A。9个大功率白色的LED作为负载，它们具有本文第2部分描述的特性，采用混联方法。下面所有的实验都是在室温26.3℃和62.5%的湿度下完成的。

220V交流电源供电，在额定负荷下连续运行至少90 min，每10 min对电路测试一次，以验证其电流的稳定性。测量结果表明，输出电流在1.11460A与1.1148A范围内变化，电流误差为1.0%，电流稳定性为 1.0%，如图 5 所示。

220V交流电源在过载运行下（LED负载串联一个电阻），电路持续运行至少90min，每10min测量一次，观测到输出电流的变化范围为1.1158A与1.1160A之间，如图6所示。当LED阵列串联一个2Ω电阻作为负荷，输出电流保持稳定，但大小与比稍小一点，因为受变压器T1最大输出功率的限制。

带额定负荷（只带LED），在180-260V交流下运行，输出电流近似为1.11A，电路效率基本上在78%，电流误差 0.9%，电流稳定性 1.2%，如图 7所示。

图5 额定负荷下的输出电流

图6 过载情形下的输出电流

图7 不同电压下的输出电流与电路效率

5 结论

大功率LED光效率高、寿命长、稳定性好，在照明中应用广泛。但LED驱动电路在效率、可靠性、稳定性方面存在不足，妨碍了成本降低、限制了运行寿命和LED照明线路的应用范围。由于大功率LED的这些特点，本项目研究了基于反激式变换器的恒流输出电路，设计、制作出输出10.0V／1.10A的原型电路。在180-260V交流电压下，测得电流误差0.9%、电流稳定性1.2%、电路效率78%。这些说明，本文提出的驱动方法，精度高、稳定性好、效率高。

［1］刘廷章.基于反激式变换的LED恒流驱动技术研究.刘廷章，2009.

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