大功率LED驱动方案与模块分析

顺德职业技术学院 林云锋 李国焱

1.引言

在当今时代，环保、节能、低碳已经成为全球热门问题。在照明行业从最初的节能灯替代白炽灯，到现在新兴起来大功率LED的应用，我相信大功率LED的应用将引发了一场光源新的革命，这是因为大功率LED特性所决定的。大功率LED所具有优点是：体积小、耗电量低、使用寿命长、高亮度、低热量、环保、坚固耐用、可控性强等。我们在看到大功率LED优势的同时，也要注意大功率LED一些难点：比如其驱动电压低且电流大，因而对驱动电路特性要求很高；大功率LED工作时发热量大，对工作温度有严格限制，当发热量超过温度过高而很容易烧坏。在现时大功率LED普遍应用于路灯和投影机光源。现时应用于大功率LED做光源的投影机流明度过低，商业实用性还不是很强，而大功率LED路灯正在政府扶持下大力发展，应用越来越多。以下就以大功率LED路灯驱动为例，分析大功率LED驱动方案。

2.大功率LED驱动电路特点

在路灯领域中，大功率发光二极管需要满足几个设计要求，这几个设计要求分别是：恒流输出、散热、效率、功率因素、过压过流过温保护等多个设计要素。以下是针对现时各种电源电路分析，从中比较那种电源更适合大功率做LED电源。

2.1 工频变压器线性稳压源

图1 线性稳压源电路图

图2 普通开关稳压源电路图

在该电路中驱动电源有三大块组成，这三大块分别是工频变压器，整流滤波电路、恒压电路。在这种电路中，工频变压器原线圈和副线圈完全隔离，要想得到电路需要的交流电压就需要调整原副线圈的变比，这个工频变压器具有隔离、降压的作用。该电路比较简单，成本也较低，但是该电路也有其自身的缺点其缺点是：损耗大，效率低，体积大，温升高，亮度不稳定。这类电路的变压器在降压的同时也会增加自身的损耗，这样就会导致温度的升高和能量转换效率的降低。该电路在驱动当功率发光二极管的时候，必须串联一个RES来限制和稳定流经发光二极管的电流，如果电流过大则会导致发光二极管的永久性损坏。在确定好了该电路能够承受的串联大功率发光二极管以后，就不能继续增加发光二极管的数量，因为大功率白光LED的属性不同，使得流经每个并联LED分支很难有相同的电流，这样就会出现各并联的分支LED的发光亮度不一致的现象。该类电路的电能转换效率低，不能实现节能的目的；工频电压的波动和电路的温升导致的大功率白光LED的发光亮度不稳定，使得该电路不适用于路灯照明领域，线性稳压源电路图见图1。

2.2 高频变压器开关稳压源

这类驱动电源具有高频变压器电路构成其直流电压是从变压器次级绕组的高频脉冲电压整流滤波而来。变压器原副线圈是隔离的，而输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。这类电路的功耗和体积都较小，质量较轻，稳压范围较宽效率较高，但是这类电路在进行控制的时候比较复杂，不但是亮度不太稳定而且有较高的器件要求。这类电路在具体执行的时候才用了一些大功率的开关晶体管，这些晶体管能够快速恢复二极管以及高频变压器，开关转换速度很快，这使得大功率开关晶体管的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高；由于没有采用笨重的工频变压器，大功率开关晶体管的功耗又很小，省去了较大的散热片，所以电源的体积小，重量轻；关键在于该类电路的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，工频输入信号电压的变化可以通过脉冲调制来进行补偿，在出现电网电压变化较大时，仍能保证有较稳定的输出电压。该类电路在驱动大功率白光LED的原理上和工频变压器线性稳压源一样，采用的是恒压限流的方法，没有符合大功率白光LED的非线性V-I曲线特性，所以在性能方面，仍存在串并连发光亮度不稳定和发光亮度不一致的问题；该类电路较之工频变压器线性稳压源，在效率、体积、稳压范围方面有显著的改善，所以在其他一些照明场合使用比较多，但该类电路仍不适合于路灯照明领域，普通开关稳压源电路图见图2。

图3 恒流源电路图

2.3 恒电流源模式

这类电源的电路构成与工作原理：与高频变压器开关稳压源具有共同特点：都具有高频变压器，直流电压是从变压器次级绕组的高频脉冲电压整流滤波而来。变压器原副线圈是隔离的，而输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。其具有功耗小，效率高，体积小，重量轻，恒电流输出，LED亮度稳定的优点，但是它也具有控制电路比较复杂，对元器件要求高，LED并联亮度不一致的缺点。该类电路在驱动大功率白光LED的原理上，采用了恒电流控制的方法，具有自动限流作用，比之采用电阻的恒压限流驱动的方法，更易于实现限流和过流保护；同时没有额外的限流电阻，减小了电路损耗，提高了能量转换效率。该类电路驱动方法符合大功率白光LED的非线性V-I曲线特性，避免了电压轻微波动而造成的电流变动，从根本上解决了大功率LED串联亮度不稳定的问题，保证了大功率LED的发光亮度恒定。在大功率白光LED的串联数量方面，流经的大功率LED的电流不再受大功率白光LED串联数量的限制；为了满足不同的发光亮度需求，通过灵活的驱动多个大功率白光LED就可以实现。

图4 大功率LED伏安特性曲线图

图5 大功率LED光通量与温度曲线图

图6 NCL30001内部结构图

图8 基于NCL30001 90W实验电路初级图

图7 基于NCL30001适用于大功率LED原理图

图9 基于NCL30001 90W实验电路次级图

对于大功率白光LED的并联使用，该类电路仍无法保证并联分支LED的发光亮度一致性。但可以使用多个恒电流电源，分别驱动不同的并联分支LED，同时保证并联分支LED属性一致性，从而可以解决发光亮度一致性的问题；相对比较下，恒电流输出模式比恒电压模式更为适合在照明领域中使用，该类电路无论在能量转换效率、发光亮度稳定性方面都更胜一筹，恒源流电路图见图3。

3.大功率LED的工作特性

图4为正向导通压降(VF)和正向电流的(IF)非线性关系曲线图。由曲线可知，当正向电压超过某个阈值，即通常所说的导通电压之后，可近似认为，IF随着VF的上升而急剧上升；由图可知，大功率LED是低电压、大电流的发光器件，当前大功率LED的最高IF可达1A，而VF一般为2～4V。

由于大功率LED的光特性通常都描述为电流(IF)的函数，而不是电压(VF)的函数。加上LED生产工艺和温度的不同，大功率LED的正向压降(VF)变化范围会出现比较大的波动(最大可达1V以上)，而由上图中的VF-IF曲线可知，VF的微小变化会引起较大的IF变化；其LED发光的强度由流过LED的电流决定，电流过强会引起LED的衰减，电流过弱会影响LED的发光强度。所以，采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性，并且影响LED的可靠性和寿命。因此，大功率的LED通常采用恒流源驱动，以保证大功率LED使用的安全性，同时达到理想的发光强度。图5是LED的光通量(φv/lm)和温度(℃)与关系曲线，由图5可知光通与温度成反比，所以良好的散热是LED灯保持良好特性的保证。

4.实用电路分析

安森美推出NCL30001芯片专门是针对大功率LED的驱动，它是一种单段式续流模式，集成功率因数校正和隔离型降压DC-DC的集成，并提供了短路和过压保护。可以做到使用少数外围元件达到高效电源能效。

从图6 NCL30001内部结构图所示，参考电压发生器的输出是输入正弦波的经整流对比，正比于反馈(FB)，且反比于前馈(VFF)值。交流误差放大器迫使电流感测放大器的平均输出电流匹配参考电压发生器的输出。这个输出(VERROR)通过参考电压缓冲器驱动PWM比较器，而PWM比较器则累加VERROR值和瞬时电流值，并将结果与4.0V阈值进行比较。通过合适的补偿后，这个设计就可以提供占空比控制。

图10 基于NCL30001 90W实验电路能效测试图

NCL30001芯片包括了高压启动电路、电压前馈以改善环路响应、输入欠压检测、内部过载定时器、闩锁输入以及谐波高精度乘法器。另NCL30001具有可以减少EMI信号、减少噪声、内部160ms故障检测、过温关闭电路等。

如图7原理图所示，NCL30001芯片作PFC控制器，工作频率在20KHz至250KHz之间，结合NCS1002次级恒压恒流控制芯片，我们可以通过调整次级控制电阻，就可以做出适用50W-125W驱动大功率LED电路。从安森美官方数据表明，在90-264伏输入电压下，此电路可以做到高于85%能效，且功率因数也高于0.9。

图8及图9是安森美基于NCL30001和NCS1002的实验电路，在90-264伏输入电压下，可以输出30V-55V的恒定电压和0.7-1.5A的恒定电流，提供最大90W的输出功率。且设置了短路开路保护、温度过高、电流电压过载保护。从图8中可知，在输出48V、1A时，能效高于87%，在50%至100%负载下，功率因数高于0.9。

实验电路输出电压及电流的调整是通过电阻调整，改变电阻比例来确定的，如图9电路中的R34为输出电压调整电阻，R32为输出电流调整电阻。

5.功能模块分析

采用模块电源构成电源分布式系统，可提高电源系统供电的可靠性和供电的质量。采用移相控制零电压开关PWM全桥变换器拓扑和三维叠层式封装结构，完成了28V/36A输出的模块电源。建立了模块的电源寄生参数模型，提出改善模块电源和电磁兼容性能的措施。对模块电源进行电气性能的测试，给出电气性能的测试结果。对模块电源有效地进行了损耗分析，运用Flotherm软件对模块电源进行热仿真分析，给出了温度分布的仿真结果。三维叠层封装结构实现了良好的热设计效果。

高功率、高密度、高可靠性是模块电源的发展方向和标准，薄型化是模块电源的国际发展趋势。模块电源工作时，功率器件高速开关工作。器件关断时，回路寄生电感储存的能量释放出来，产生差模干扰。高du/dt节点通过其对地的寄生电容，在地回路中产生共模干扰。为了研究模块的电磁干分布式电源系统，因其设计周期较短，各负载之间的影响小，维护方便等优点已成为目前模块电源系统的主流。中间母线结构是目前应用最为广泛的分布式电源系统结构，它是由前端变换器、中间母线变换器以及负载点变换器组成。前端变换器将交流输入变换成48V直流，中间母线变换器将48V变换成12V并实现电气隔离，负载点变换器将12V变换成负载所需要的电压。

6.结束语

进入二十一世纪以后，照明产业许多大的厂家和企业都把目光转移到了大功率发光二极管的生产和制造中来。这是因为大功率发光二极管功能模块比过去的照明工具来说具优点所决定的。除了大功率LED应用于路灯外，我们从新兴发展的LED光源投影机来看，LED光源投影机轻薄便携性特别有前景，如果将来高流明度LED光源投影机研制得以应用，到时我们大功率LED驱动电路发展那是更大的促进力。

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