大功率LED灯用的镇流式驱动电源

李顺华，沈国雄，黄 益

(1.武汉市华兰科技有限公司， 湖北 武汉 430080；2.宁波艾克斯体电器有限公司，浙江 宁波 315175；3.宁波市灯具检测中心，宁波远东照明有限公司(实验室)，浙江 慈溪 315331)

引言

LED灯是把电能直接转换为光的半导体器件，温度对LED灯伏安特性影响很大， 使用直流驱动时LED的发光效率最高[1]。

1 LED灯的驱动电路

1.1 开关恒流驱动电路

现在广泛使用的大功率LED灯的驱动电路均为开关恒流驱动电路，其开关恒流驱动的拓扑电路就多达数万个。它的恒流原理是通过控制脉冲变压器的能量传递来实现稳定LED灯的工作电流。然而，开关恒流驱动电路对于大功率LED灯来说是不是最好的驱动方式还有待商榷。对于开关恒流驱动方案本文提出三点看法：①由于温度对LED灯伏安特性影响很大，当温度变化很大时，用恒流来驱动的LED灯的功率也会有很大变化。②开关恒流驱动电路是将电流多次转换而获得的恒定电流，在转换的过程中能量的损失很大，即开关恒流驱动电路的效率很难提高。③开关恒流驱动电路输出的直流电流是带有高频分量的直流。但因为直流驱动的LED灯的发光效率最高，所以，用带有高频分量的直流来驱动LED灯，显然不是最好的驱动方式。

1.2 镇流式LED灯的驱动电路

鉴于开关恒流驱动电路在用于大功率LED灯时存在的上述不足，我们提出了用于大功率LED灯的镇流式驱动方案，该方案的工作原理如图1所示，它由镇流电路、电压识别电路、信号输出电路、稳流输出电路、换流电路及保护电路构成。由图1可知，电网工频电流通过复合限流、换流后直接驱动LED灯，这种工作模式大大提高了镇流式LED灯的驱动电路的工作效率。电压识别电路、信号输出电路、稳流输出电路是为满足GB/T 24825—2009《LED模块用直流或交流电子控制装置性能要求》[3]中稳定输出电流的控制装置的技术要求而设置的。由于镇流式LED灯的驱动电路的主路是镇流性质的限流装置，而LED灯伏安特性的温度特性表现为负阻特性即温度升高灯电压下降。这里温度升高包括两个部分，一个是环境温度的变化，包括地域不同、季节不同。二是灯在工作时的结温的变化，散热器的好坏直接影响结温。这两部分温度的改变都会改变LED灯的灯电压。而镇流性质的限流装置具有当负载电压(灯电压)变化时会自动改变线路电流。即当灯电压受温度影响下降时增加线路电流，使灯功率不降低。当灯电压受温度影响上升时减小线路电流，使灯功率不上升。

图1 镇流式LED驱动电源框图Fig.1 Block diagram of LED driving power supply in town

图2为镇流式LED驱动电源电路原理图。图中，L1为镇流电路中的镇流元件。IC1、IC2、IC3及其相关元件构成电压识别电路、信号输出电路、稳流输出电路。D1—D4为换流电路。IC4及其相关元件构成短路保护电路。开路保护电路则主要由Q4、U1、DZC构成。

图2 镇流式LED驱动电源电路原理图Fig.2 Schematic diagram of the circuit of the LED driving power supply

2 实验结果

2.1 使用镇流方式驱动的灯在灯电压受温度影响的情况下电流与电压关系

图3是由实验数据构成的1W 350mA的灯使用镇流方式驱动的灯电流-电压关系的趋势图， 图中x轴为灯电压(受温度影响而产生的变量)，正值表示灯电压上升，负值表示灯电压下降。图中仅用正1V和负1V来代表变化趋势及规律。y轴为灯电压(灯受温度影响而改变时用镇流方式驱动的灯对灯电流进行调控的变化值)。正值表示灯电流增加，负值表示灯电流减小。图中仅用正10mA和负10mA来代表变化趋势及规律。o点表示灯的工作点，如图6中的181.8V(灯电压)和0.655A(灯电流)，当灯电压上升0.1V即181.9V时，灯电流会减小1mA即0.654A，灯电压下降0.1V即181.7V时，灯电流会增加1mA即0.656A。其变化规律近似线性。图4示出了700mA的灯使用镇流方式驱动的灯电流-电压关系的趋势图。对于图4的变化规律曲线为什么不同于图3还待进一步研究。

图3 电流-电压关系图(1)Fig.3 I-V relationship(1)

图4 电流-电压关系图(2)Fig.4 I-V relationship(2)

2.2 使用镇流方式驱动的灯的性能测试

图5和图6的测试数据显示，在LED综合性能测试仪的测试范围内，用镇流式LED灯的驱动电路驱动的120WLED灯的所有技术指标均符合相关规定。其中谐波的含量完全满足GB 17625.1—2012[4]中相应的谐波规定要求。95.3%的效率则远高于CQC 3146—2014《LED模块用交流电子控制装置节能认证技术规范》[2]中非隔离式 92%、隔离式 90%的节能评价值的认证标准。以及GB/T 24825—2009《LED模块用直流或交流电子控制装置性能要求》[3]中规定的最高能效等级。

图5 LED综合性能测试仪输入特性测试报告Fig.5 Testing report of the input characteriatics of LED comprehensive performance

图6 LED综合性能测试仪综合特性测试报告Fig.6 Comprehensive performance test report of LED

3 结论

通过分析和测试显示，采用镇流方式驱动大功率LED灯同采用开关型恒流源驱动方式驱动的大功率LED灯相比，其主要优点有：1)镇流驱动方式的效率远远高于开关型恒流驱动方式。2)当灯电压受温度影响而改变时，镇流驱动方式能保持灯功率稳定。镇流驱动的优点证明了，目前广泛使用的用开关型恒流源来驱动大功率LED灯的方式不是最好的驱动方式。这也说明本文提出的用镇流方式驱动大功率LED灯的新方案，对LED新型光源的推广应用将会产生积极的影响。

[1] 孙明坤，等.LED光电模型及其应用.电源技术学报，2009，3(1)：15-19.

[2] LED模块用交流电子控制装置节能认证技术规范:CQC 3146—2014.

[3] LED模块用直流或交流电子控制装置性能要求:GB/T 24825—2009[S].

[4] 电磁兼容限值谐波电流发射限值(设备每相输入电流≤16A):GB 17625.1—2012[S].