新型LED路灯电源驱动器研究*

晏剑辉

(泸州职业技术学院，四川泸州646005)

LED路灯照明是一种省电、节能、低碳环保的照明光源，市场前景广阔［1］。我国在2009年开展了“十城万盏”计划［2］，在21个城市进行了试点工作，LED路灯以其突出的示范效应成为各类半导体照明技术中的一大亮点。LED的理论寿命是5×104h，但是在试点过程中发现LED路灯照明也存在许许多多的问题，如故障多、使用寿命短，没有过多久就报废了。造成LED省电节能，而不省钱的现象，甚至遭到公众的质疑。综合分析其故障根源，95%的问题都是电源驱动器的元器件损坏导致LED路灯寿命提前终结，而并非LED光源自身寿命所引起的［3］。本文旨在研究一种基于单片机智能控制的无电解电容器的电源驱动器开关电源。通过使用扼流圈、磁放大器原件等长寿命的器件取代电解电容器，进行电源中纹波滤波，提高电源驱动器的寿命，进而提高LED路灯的使用时间。

1 LED的工作原理分析

1.1 LED发光原理

照明发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。其发光过程是在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光。发光二极管中包含2种或3种颜色的芯片假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中间附近)捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光［5］。

1.2 LED发光与半导体材料禁带宽度Eg关系分析

按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色(又细分黄绿、标准绿和纯绿)、蓝光等。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即λ≈1 240/Eg(mm)。其中，Eg的单位为电子伏特(eV)。若能产生可见光(波长在380 nm紫光～780 nm红光)，半导体材料的Eg应在3.26 eV～1.63 eV之间。比红光波长长的光为红外光。由此可见LED发光与PN内置节控制的电源电压有密切的关系。

2 LED的工作电源分析与LED发光

在工频电源供电的LED灯的外接电源通常为220 V或380 V，为了有效的禁带宽度Eg，需要对LED电源驱动电路输出的电流和电压进行很好的控制，以达到LED正常工作的所需的电压。传统的LED电源供电电路的整流、降压、稳压主要是由开关电源和电容等原件组成，存在有一下问题。

从技术层面来看，LED本身的寿命往往长达几万小时，但有时8 000 h就不错了。造成这种现象的原因是什么?

图1 开关电源示意图

综合分析其故障根源，95%的问题都是电源驱动器的元器件损坏导致LED路灯寿命提前终结，而并非LED光源自身寿命所引起的。LED光源自身的寿命并不是LED路灯的使用寿命。LED路灯的使用寿命是由LED光源寿命和驱动电路的寿命共同决定的。由于电解电容的有效工作寿命，在很大程度上受环境温度及作用在内部阻抗上的纹波电流导致的内部温升影响，而电解电容制造商提供的电解电容额定寿命是根据暴露在最高额定温度环境及施加最大额定纹波电流条件下得出的。在105℃时典型电容额定寿命可能是5 000 h［6］，电容所实际遭受的工作应力相比额定电平越低，有效工作寿命也就越长。因此，电解电容的不匹配，直接影响到了LED灯的使用寿命。在工频电网的LED路灯电源驱动电路中都是采用降压式开关电源，如图1所示。

图2为调整元件S开关通断时的波形。

图2 调整元件S开关通断时的波形

当开关接通的持续时间为ton，断开持续时间为toff，开关转换周期为T=ton+toff，则输出电压的等效值为

式中:δ为脉冲占空比系数，它等于ton/T。由此可见，调整输出电压等效值的大小唯一的方法就是改变占空系数。实现占空系数调节的方法以PWM(脉宽调制器)为主。我们从公式中得知PWM脉宽调制始终周而复始地接通ton和断开toff，持续地产生如图2的方波波形，很明显输出的电压值存在峰值电压Vp-p和谷值电压0值。显然这个方波值必须经过电解电容平滑滤波才能得到稳定可靠的Uav值，具有滤波电容的开关电源示意图与波形如图3和图4所示。

图3 滤波电容的开关电源示意图

图4 开关电源波形

这就是为什么目前成千上万种LED路灯驱动电源必须使用电解电容的瓶颈所在即:当电解电容一旦失效，Uo实际输出的电压峰值Vp_p等于Ui，瞬间可以烧毁LED光源芯片。

在电子器件中，电解电容器寿命的计算公式如下:(以下数据是日本日立公司生产的电容器寿命数据)。从上述公式和列表中可知电解电容的正常寿命只有2000 h～10 000 h。

表1 Max.Core temperature rise setting(snap-in type)

3 新型LED路灯电源驱动器的设计

基于对电容器问题，同时由于市网电源电的电压、频率波动也会影响电源驱动器的电压输出的稳定性，因此本文从整流、降压、稳压几个方面关键流程，对电源驱动电路进行优化设计，提出了以一下3项关键技术措施:

(1)使用MCU单片机数字控制［7-8］，实现APC(自动相位控制)技术输出多相等幅多相位方波群叠加的直流DC电压［9］。

(2)使用磁放大稳压器进行电源的稳压和恒流，减少市网电源电压突变时涌流对输出电压的影响。

(3)在电源驱动器上使用永久性的电子器扼流圈对高频调制波进行滤波，代替电解质电容器，完全使电源驱动器无电解电容化。

3.1 关键技术的实施

(1)基于单片机智能控制的多相位方波群整流电路分析

传统的电源驱动采用的整流电路的4只整流二极管，被接成桥路后封装成一个整流器件，称“硅桥”或“桥堆”。根据二极管的单向导通的工作原理，整流变相在正弦交流电压的零点换向。传统整流电路与波形如图5所示。

图5 传统整流电路与波形图

从图5可以看出，整流处的4个电压波在时间上依次相差180°叠加，并且整流波过零点时，其电压为0 V，输出的最高电压为有效值U的1.414倍，即输出的电压不稳定。

通过单片机智能控制的可控硅触发时间［3］可以得到比较均衡电流波，如图6所示。

图6 智能控制的可控硅电路与波形图

从图6可以看出，整流触发设为60°时，整流的6个电压半波在时间上依次相差60°叠加，得出的波形比较平稳，而输出的最小值不再为零点，而是

其中Vmin是最小电压，VP是电压的有效值。

在进一步调整触发角度时，可以得到更加平稳而的直流电压。取代常规的PWM脉宽调制技术，PWM调制必然是产生峰值和谷值的DC/DC转换技术，这种技术是需要大容量的电解电容进行滤波，才能输出平滑的直流电压的。并且在整流触发角度可以通过反馈电路进行调整，是的电路的输出电压更加平稳，进而达到半导体材料所需的禁带宽度Eg。

(2)基于电感线圈取代电解电容的电路

传统的电路稳压和滤波都是用的是电解容，如图7所示。

图7 传统电解电容的电路与波形图

由于电解电容的有效工作寿命在很大程度上受环境温度及由作用在内部阻抗上的纹波电流导致的内部温升影响。电解电容制造商提供的电解电容额定寿命是根据暴露在最高额定温度环境及施加最大额定纹波电流条件下得出的。在105℃时典型电容额定寿命可能是5 000 h，电容所实际遭受的工作应力相比额定电平越低，有效工作寿命也就越长。因此，电解电容的不匹配，直接影响到了LED灯的使用寿命。

利用电感线圈可以实现使用磁放大稳压器进行电源的稳压和恒流，减少市网电源电压突变时涌流对输出电压的影响。在电源驱动器上使用永久性的电子器扼流圈对高频调制波进行滤波，代替电解质电容器，完全使电源驱动器无电解电容化，使用磁放大稳压器进行电源的稳压和恒流如图8所示。

图8 电感稳压电路与波形

3.2 新型系统组成与工作原理［10］

新型LED路灯电源驱动器由7部分组成:①防雷措施与浪涌电压电流电路;②多相整流电路;③DCDC开关电源电路、扼流圈;④磁放大器电路;⑤稳压恒流输出电路;⑥稳压恒流与移项锁项控制电路;⑦电流、电压取样与单片机控制电路。如图9所示。

图9 新型LED路灯电源驱动器原理方框图

工作原理:当50 Hz工频电源连接到电源驱动器时，通过整流、降压、稳压、测量与反馈，然后由单片机进行智能分析调整输出的电压为恒定的电源供LED路灯使用［10-11］。各部份的作用如下:

首先防雷措施与浪涌电压电流电路经过防雷措施、浪涌电压电流的处理，使送到后级的电源没有干扰，没有杂波［12］;多相整流电路通过多相交流电全桥整流将交流电转换成直流电，但是这个时候的电压值特别高，即高压直流电并不适合LED光源晶片的驱动。因此，我们必须将高电压的电压能量转换低电压才能使用，在这里DC-DC开关电源转换器就起到这个作用。由于LED光源需要优质稳定的直流电源，我们在这里使用了多相相移锁相控制电路对DC-DC转换进行控制。各相DC-DC转换输出的方波群的高电平正好叠加在超前相位的低电平位置，最终形成没有纹波的直流电压。虽然这时候已经输出的直流电压已经可以驱动LED光源晶片进行照明了，但是这个时候输出的直流电压幅值会随工频50 Hz的市电有效值波动而波动，即不稳定的电压会对LED寿命带来影响，那么我们在这里增加了磁放大器对输出的电压值和电流值进行跟踪控制，直流电压经过磁放大器电路的控制，最终输出的电压值以及电流值精确地稳定在LED光源需要的幅值上。电流、电压取样与单片机控制电路对于DC-DC转换的相位以及磁放大器的精确控制需要一个大脑中枢统一指挥和协调，这就是单片机程序的功能。单片机按照程序员预先植入的程序高速地执行，不断地对本电源驱动器输出的电压、电流进行采样，通过周密的计算后通过稳压恒流与移项锁项控制电路的执行单元对DC-DC转换以及磁放大器进行控制。整个电路就这样周而复始的工作，得到可靠的直流电压电流输出。如图10所示。

图10 单片机相移控制输出图

4 结语

新型LED路灯电源驱动器通过使用扼流圈、磁放大器原件等长寿命的器件对电源中纹波滤波，取代在驱动电路中的电解电容器，同时使用MCU单片机数字控制技术，实现APC(自动相位控制)技术输出多相等幅多相位方波群叠加的更加平滑的直流DC电压，解决了在整个电灯电路中的直流DC绝对存在较大电压峰谷值的问题，实现了LED路灯所需的稳定电压，有效提高了LED路灯的使用寿命。目前该产品已经通过了权威部门的性能检测，同时在泸州的部分企业进行试用，目前反馈回来的用户报告反应寿命明显提高

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