LED负载恒流驱动电源电路的研究

张文强 冯 搏 俞竹青

(常州大学机械工程学院,江苏 常州 213100)

LED负载恒流驱动电源电路的研究

张文强 冯 搏 俞竹青

(常州大学机械工程学院,江苏 常州 213100)

提出一种由过零检测电路、可控硅整流电路、高频滤波电路与PWM隔离驱动电路组成的非隔离驱动方式的高效LED驱动电源电路。通过可控硅整流器(SCR)控制角α的程控调节与隔离驱动PWM占空比的自适应负载变化，分别实现LED负载恒流驱动的粗调与细调。对各电路模块的仿真与LED负载电流调节实验均验证了系统设计的正确性。

恒流驱动电源电路 LED负载 电流控制 非隔离驱动 SCR程控调节 PWM占空比

随着全球能源危机的日益突出，节约能源成为全人类面临的重要问题之一。作为第四代绿色照明光源[1]，高亮度发光二极管(LED)以其高效、节能及环保等优点被广泛应用于医疗、大尺寸液晶背光源和室内外照明中[2]。如果LED能够取代传统低效的照明方式，无疑对缓解当前紧迫的能源短缺问题起到举足轻重的作用。

驱动电源电路设计是LED光源的关键[3]，目前LED普遍采用恒流驱动，实现恒流驱动的方式有线性调节、电流镜、无源恒流驱动及基于脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)的开关变换等[4～6]；以有无隔离变压器为标准，可分为隔离型驱动方式与非隔离型驱动方式。非隔离型驱动因不受隔离器件限制，在减小产品体积和提高效率上均有较大优势[7]。

传统的隔离型LED驱动电源由于隔离变压器的存在，导致铜损与铁损不可避免。当负载变化时，变压器匝数比不能改变，只能通过限流装置被动调节驱动电流，系统效率低下。为此，笔者提出一种非隔离型高效LED驱动电源电路，通过微控制器(MCU)程控调节可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier,SCR)的控制角α以达到自适应负载的目的，提高反馈电流的PWM控制精度与响应速度，实现LED恒流驱动。

非隔离型自适应降压的LED驱动电源电路如图1所示，由过零检测电路、可控硅整流电路、高频滤波电路、PWM隔离驱动电路和MCU组成。输入的220V市电经桥式可控整流电路整流后，通过高频滤波电路给多路LED供电。过零检测电路获得市电同步脉冲信号。LED各支路串联电流传感器，采样电流信号至MCU，以实现SCR精确定时触发与PWM隔离驱动。

图1 非隔离型自适应降压的LED驱动电源电路

2 模块设计

2.1过零检测电路

单相桥式可控整流电路中SCR的控制角α以交流电负半周过零点作为参考时刻，因此，对SCR精确定时触发的前提是确定市电过零参考点。过零检测电路如图2所示，R1、R2形成分压，为比较器U1的同相输入端设置一个较小的门限电压Vref。市电经整流二极管D1和稳压管D2得到0～5V的同步脉冲信号，并作为比较器U1的反相输入端电压Vin。当市电由负半周过零时，Vin由0V变为5V，光耦U2的INT角由Vcc变为低电平；同理，当市电由正半周过零时，INT角由低电平变为Vcc。由于Vref接近零点，因此可以认为INT角产生的是与市电同步的脉冲信号，此脉冲沿可由MCU输入捕捉，并以此为起点开始精确定时。

图2 过零检测电路

使用Multisim电路仿真软件结合Matlab数据处理软件对过零检测电路进行验证[8]。图3所示为过零检测电路光耦INT角产生的同步脉冲信号与市电信号的波形对比。可知，通过检测同步脉冲信号的下降沿，可以准确得到市电输入信号负半周的过零点。

图3 光耦INT角产生的同步脉冲信号与市电信号的波形对比

2.2可控硅整流电路

(1)

由式(1)可知，调节输出直流电压值的关键在于精确控制SCR的控制角α。

SCR驱动采用IR2103半桥驱动器，其内部集成升压电路，外部仅需一个自举电容和一个自举二极管即可完成自举升压。IR2103内部设置520ns死区时间，在每次状态转换时插入死区，同时可以保证上下两管的状态相反，避免上下管同时导通时电流不经负载直接入地。可控硅整流电路如图4所示，D3和C1分别为自举二极管和自举电容。以市电全波整流10.0ms为一个周期，当检测到交流电上升/下降沿时将/LIN置低并打开下臂Q1，使自举电容充电，在合适的SCR控制角时将HIN置高，打开上臂即导通SCR。

图4 可控硅整流电路

SCR触发信号频率与市电经全桥整流后的100Hz一致。实验中，设自举电容C1值为47μF，每当交流电过零点时，导通下臂Q1对自举电容充电0.5ms，同时MCU定时9.0ms，SCR触发时间为0.2ms。图5所示为半桥驱动器IR2103的HO角输出信号(即SCR驱动信号波形)与市电信号的对比。IR2103内部集成的自举升压电路实现高端驱动的过程是一个自举电容放电过程，要根据负载的不同合理选择自举电容大小和充放电时间。

图5 半桥驱动器IR2103的HO角输出信号与市电信号的对比

2.3高频滤波与PWM隔离驱动电路

可控硅整流电路得到的是直流脉动电压信号，其中含有较大的交流成分，因此在驱动LED之前需要进行滤波处理，使电压脉动系数降低，保证LED无闪烁稳定工作。高频滤波电路如图6所示，可控整流信号经L1、C2初级滤波后，送往以场效应管Q2为核心的高频滤波电路。由LED、电感L2和续流二极管D8组成的滞环电流控制回路在Q2截止以后继续为LED提供电流。为避免截止瞬间电感L2产生的反向电动势击穿场效应管，由瞬态电压抑制二极管W1、电感L2和快恢复二极管D9组成泄放回路，使能量在电感线圈和续流二极管上以热能形式释放出去。

图6 高频滤波电路

场效应管Q2的导通与截止受到MCU发出的PWM信号控制。为提高响应速度，使用高速光耦TLP2530隔离驱动Q2。TLP2530具有较高的电平转换速度，TpHL与TpLH的典型值均为0.3μs，其外围电路如图7所示。

图7 PWM隔离驱动电路

图8所示为高频滤波电路PWM频率对负载电流的滤波效果，随着PWM频率的提升，负载电流脉动显著减小。工作在高频模式可以减小电路中的电感和电容值，减小元件物理尺寸。

图8 高频滤波电路PWM频率对负载电流的滤波效果

3 LED负载电流控制策略与仿真

以LED为负载，对于串联的LED负载，其正向导通电压VF为各LED正向导通电压之和，即VF=VF1+VF2+…。不同的LED其IF-VF特性有较大差异，实验中，设定VF=15V，近似认为达到正向导通电压后IF与VF成线性关系[9]。保持SCR控制角α(0.950π)与PWM占空比(50%)恒定，图9所示为SCR导通后，不同负载的电流变化情况。对于电阻负载(50Ω)，负载电流在SCR触发后(9.5ms处)立即响应；对于LED负载，在达到正向导通电压前，负载电流没有响应，因此滞后一段时间。

图9 LED负载与电阻负载的电流比较

对于电路中的不同负载，实现LED恒流驱动需要电流反馈，电流反馈可由霍尔电流传感器与运放调理电路实现。运放电路具体参数因MCU的ADC引脚输入电压范围和霍尔电流传感器输出范围而异，此处不再赘述。

考虑到一个周期(10ms)内SCR是半控的，即导通SCR后直到其承受反向电压才会截止，并且驱动电路中大量使用了储能元件，因此无法通过调节SCR的控制角直接快速响应负载反馈电流。文献[10]将可控整流电路近似看成一阶惯性环节。由于市电的波动与MCU的定时精度问题，SCR触发时间的微小误差会造成LED电流的较大变化，而较大的过调将会烧毁LED。因此将LED负载电流调节分为粗调与细调。

电流粗调是对SCR控制角α的调节。以VF=15V时的LED作为实验对象，图10所示为LED电流粗调变化波形，随着SCR触发时间的不断提前(以0.05ms为一个步长)，LED电流逐步提高，其整体变化趋势与一阶惯性环节类似。

图10 LED电流粗调波形

电流细调是对隔离驱动PWM占空比的调节。粗调反馈电流达到目标电流的阈值后，SCR控制角α保持不变，进入细调环节。设LED目标电流为0.20A，图11所示为LED电流细调波形变化，通过对PWM占空比的调节均能将负载电流调节至0.20A，调节时间约20ms。

电流粗调的精度对细调有很大影响。在最理想情况下，仅通过粗调便可将LED电流稳定至目标电流处，而细调可以实现电流的快速响应与多路LED均流。因此，粗调和细调缺一不可。合适的SCR控制角α对系统稳定有着重要意义：α过小，会造成负载电流过调，烧毁LED；α过大，满足不了负载额定功率的供给，达不到目标电流。图12所示为α过大时对细调电流的影响，粗调SCR触发时间为9.7ms，LED电流约0.13A，细调PWM占空比至上限，LED电流约0.18A，达不到0.20A目标值，并且会产生大幅度的振荡。

图11 LED电流细调波形

4 结论

4.1电流粗调可近似看成一阶惯性环节，粗调时间间隔不易过短。以实验设定参数(C1=47μF，C2=120μF，C3=120μF，L1=1mH，L2=330μH)为例，在50ms处可以认为电流稳定。因此，粗调时间间隔以大于50ms为宜。

4.2较小的电流粗调步长可以提高粗调精度，但也增加了系统启动时间(LED电流达到目标电流阈值的时间)。因此，需要在精度与延迟之间权衡。

4.3电流细调的电流响应时间(20ms)相对粗调显著减少，并且有利于实现多路LED均流。

4.4电流细调增加LED电流的过程，加大了电路中储能元件的充放电时间，以牺牲系统稳定性为代价提高电流的平均值。

[1] 杨洋,阮新波,叶志红.无电解电容AC/DC LED驱动电源中减小输出电流脉动的前馈控制策略[J].中国电机工程学报,2013,33(21):18～25.

[2] 廖志凌,阮新波.半导体照明工程的现状与发展趋势[J].电工技术学报,2006,21(9):106～111.

[3] 吴舒萍.大功率LED光源驱动电路的设计[J].淮海工学院学报(自然科学版),2014,23(4):31～35.

[4] 刘志强,卿启新,夏亚桃.白光LED驱动分析与应用[J].现代电子技术,2011,34(6):191～195.

[5] 石合地,曾以成,李祥.电流自动可调低功耗LED驱动电路[J].电路与系统学报,2013,18(1):353～356.

[6] 罗全明,邹灿,支树播,等.基于无源谐振恒流网络的多路输出LED驱动电源[J].中国电机工程学报,2013,33(18): 73～79.

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[10] 许胜辉.可控整流电源智能调节器的实验研究[J].实验室研究与探索,2008,27(5):157～160.

StudyonConstantCurrent-drivenLEDPowerCircuit

ZHANG Wen-qiang, FENG Bo, YU Zhu-qing

(SchoolofMechanicalEngineering,ChangzhouUniversity,Changzhou213100,China)

A non-isolated efficient LED driving circuit was proposed, which consists of the zero-crossing detection circuit, SCR commute circuit, high-frequency filtering circuit and PWM isolated driving circuit. Through program-controlled regulation of SCR control angleαand adaptive load change of the PWM duty cycle, both general and fine tuning of LED constant-current driving were realized. Simulating every circuit module and experimenting on the LED load current regulation verify the validity of the system design.

constant current-driven power circuit, LED load, current control, non-isolated driving, SCR program-controlled regulation, PWM duty cycle

TH862+.7

A

1000-3932(2016)01-0084-05

2015-05-28