分段线性驱动HV-LED灯具的照度变化特征

孙富康

(1.安徽建筑大学, 安徽 合肥 230022; 2.教育部建筑能效控制与评估工程研究中心, 安徽 合肥 230022; 3.建筑节能安徽省工程技术研究中心, 安徽 合肥 230022)

引言

分段线性驱动(segmented linear drive)是一种发光二极管电源技术[1]，是线性电源技术的一种拓展。基于分段线性驱动的高压发光二极管(HV-LED)可以直接由交流电驱动，无需由变压器、电感、电解电容等组成的电源转换电路，电源驱动电路设计简单，功率因素高(PF>0.95)，低谐波失真(THD<10%)，灯具的寿命更长。

2012年Dayal等[1]提出一种基于MOSFETs的交流直驱LED灯具方案，电源效率达到82%，总谐波失真为9%。之后，在分段线性驱动芯片的设计领域，张建刚[2]提出了一种具有过温保护、过压保护、模拟调光、PWM调光功能的分段线性驱动电路设计方案；Ning等[3]基于0.25 μm BCDMOS工艺设计实现了5段线性高压恒流LED驱动芯片，灯具功率因素达到0.997以上，总谐波失真为7.2%；詹建新[4]、张冠军[5]分别基于1 μm SPDM 5 V 40 V 700 V BCD工艺设计实现分段式高压恒流LED驱动芯片；陈旺[6]基于0.35 μm线宽700 V高压BCD工艺设计实现了线性高压恒流LED驱动芯片，驱动效率达到95%，灯具的功率因素达到0.85以上；励勇远等[7]基于0.8 μm 5 V/40 V HVCMOS工艺设计实现了3段线性高压恒流LED驱动芯片，灯具的功率因素达到0.974，电源效率达到93.4%；Noge等[8, 9]提出了一种基于MOSFETs的多段线性驱动方案，灯具功率因素达到0.99以上，总谐波失真仅为2.1%。尹勇生等[10]和徐福彬等[11]分别基于CSMC 0.8 μm 700 V BCD工艺设计实现了4段和6段线性高压恒流LED驱动芯片。此外，文献[12-15]也分别对分段线性驱动技术的电路应用及优化进行了研究。

笔者针对分段线性恒流驱动HV-LED灯具的照度变化，将提出9种特征参数，用于表征灯具照度变化的特征。

1 分段线性驱动原理

在分段线性驱动电路中，LED灯串被划分成多个子灯串，子灯串之间串联连接，驱动器通过控制开关元件(Sn)将LED灯串(Strn)分段点亮，如图1所示。工作周期中，驱动器通过采集、识别输入交流电源的上升和下降过程中的电压值(Vinput)；随着输入交流电源电压值的变化，在交流电压的上升过程中，电路中的被控LED灯串被开关元件依次点亮；在下降过程中，电路中的被控LED灯串被开关元件依次关闭，从而实现LED灯串的整体控制过程。

图1 分段线性驱动电路原理图Fig.1 Schematic of segmented linear drive

2 特征表征

Emax=max(E)

(1)

(2)

Emin=min(E)

(3)

(4)

其中m、l分别表示单个周期和单个周期内第p段周期的照度采样个数。

(5)

3)边界特征。边界特征(S)即光照度波动曲线的边长，表示为单个周期内相邻照度之间的集合距离之和，即

(6)

Δt=ti+1-ti

(7)

(8)

(9)

(10)

其中k表示单个周期内的最大段数，0

3 实验研究

3.1 实验方案

实验样品灯具为一款8 W高压发光二极管光源模组，该光源采用四段式线性恒流驱动方案，驱动芯片为BY-V7H04，如图2所示；图中A、B两路灯串分别可以负载4个灯串，Str1、Str2、Str3、Str4分别代表A路中的4个灯串。实验采用杭州远方生产的LFA-2000型光源频闪测试仪搭建灯具照度曲线检测平台，获取灯具光照度的变化数据。实验主要研究A路中4个灯串的照度变化特征。

图2 实验样品Fig.2 Experiment sample

3.2 数据采集

通过实验采集一个周期(T=10 ms)的照度数据(单位：klx)，采样频率为1 kHz，单位采样时间间隔Δt为0.1 ms，照度表示为一个数组X，即

X={0, 0, 0, 0.046, 0.365, 1.416, 2.603, 3.79, 4.247, 4.384, 4.384, 4.429, 5.708, 5.708, 7.078, 8.539, 9.133, 9.407, 9.407, 9.407, 9.681, 10.5, 12.69, 14.01, 14.01, 15.38, 15.38, 15.52, 15.52, 15.52, 15.93, 16.62, 17.35, 18.08, 18.81, 19.45, 20.04, 20.77, 20.77, 21.78, 21.87, 21.87, 21.91, 21.91, 21.91, 21.87, 21.91, 21.87, 21.87, 21.87, 21.87, 21.87, 21.87, 21.82, 21.87, 21.87, 21.87, 21.87, 21.87, 21.87, 21.87, 21.82, 21.32, 20.09, 18.72, 17.39, 16.25, 15.75, 15.75, 15.52, 15.52, 15.52, 15.48, 15.48, 15.16, 13.06, 13.06, 12.01, 9.909, 9.909, 9.59, 9.453, 9.453, 8.859, 6.302, 6.302, 5.297, 4.703, 4.521, 4.429, 4.429, 3.47, 0.685, 0.685, 0.228, 0, 0, 0, 0}。

3.3 特征分析

2)梯度特征。根据式(5)计算相邻照度值之间的梯度数值，并绘制为曲线，如图3所示。在分段驱动中，“段—段”交界之处具有显著的梯度特征；照度上升过程中梯度值大于0，照度下降过程中梯度值小于0，段内梯度值会出现一定范围内的波动。

图3 梯度特征示意图Fig.3 Schematic diagram of gradient characteristics

3)边界特征。根据式(6)计算照度变化曲线的边长为S=48.90，其中Δt为0.1 ms。

图4 时域特征示意图Fig.4 Schematic diagram of time-domain characteristics

4 结论

由于特殊的驱动控制方法，分段线性驱动方案中，HV-LED灯具的照度呈阶梯状周期变化，利用这一特征可以判别灯具中LED灯串的开关状态。本文从灯具照度的幅值、梯度、边界和时间四个方面提出9种指标，用于深入表征灯具照度变化的特征，并给出了各指标的计算方法。同时，该指标可作为特征值用于分析LED灯具的发光性能，进一步可以诊断LED灯具的故障。