LED照明自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)電源的研制
龍興明1,2,周靜2
(1.重慶師范大學(xué)物理系,重慶 400047;2.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院,重慶 400044)
摘 要:針對(duì)半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)作為照明的驅(qū)動(dòng)特性,設(shè)計(jì)了一種基于開(kāi)關(guān)電源的自適應(yīng)LED驅(qū)動(dòng)電路。利用高密度電源控制芯片sa7527實(shí)現(xiàn)了LED的恒流驅(qū)動(dòng)和過(guò)壓保護(hù),通過(guò)對(duì)輸出光強(qiáng)和LED溫度的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了光衰的自動(dòng)補(bǔ)償功能。實(shí)際應(yīng)用表明,該驅(qū)動(dòng)電路可滿足LED作為照明的實(shí)際需要,并且具有寬電壓輸入范圍、高效率和光衰補(bǔ)償功能。
關(guān)鍵詞:發(fā)光二極管照明;開(kāi)關(guān)恒流電源;光衰補(bǔ)償
DevelopmentofadaptiveLEDlightingdriver
LONGXing2ming1,2,ZHOUJing2
(1.PhysicsDepartmentofChongqingNormalUniversity,Chongqing 400047,China)(2.EEDepartmentofChongqingUniversity,Chongqing 400044,China)
Abstract:AnadaptiveLightEmittingDiode(LED)lightingdriverbasedonswitchingpowerisproposedaccordingtotheLEDdrivercharacteristics.Thedriverhasthefunctionsofconstantcurrent,over2voltageprotectedandauto2lumenattenuationcompensationbyusingthehigh2densitypowermanageICsa7527,opticalsensorandtemperaturesensor.Thepracticalapplica2tionshowsthatthedevelopedLEDdrivermeetsthecharacteristicsofLED,furthermoreithastheadvantagesofwiderangein2putvoltage,highefficiencyandauto2attenuationcompensation.
Keywords:LEDlighting;constantcurrentswitchingpower;attenuationcompensation
1 引 言
LED具有高效、長(zhǎng)壽命、低功耗、安全等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于城市景觀裝飾、交通車站和商業(yè)廣告等公眾設(shè)施。近年來(lái),隨著單晶單管LED的輸出功率、發(fā)光效率以及高功率封裝技術(shù)的不斷發(fā)展,使LED作為一般照明具有廣泛的應(yīng)用前景。
LED的輸出光流明數(shù)和波長(zhǎng)同PN結(jié)的溫度以及電流密切相關(guān)。常規(guī)的驅(qū)動(dòng)電路,如電容降壓電路和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路,將引起LED的提前老化,不能有效滿足LED照明驅(qū)動(dòng)的要求。因此,本文從分析LED燈珠的驅(qū)動(dòng)特性出發(fā),結(jié)合LED的驅(qū)動(dòng)特性提出了一種自適應(yīng)照明驅(qū)動(dòng)電路。針對(duì)100個(gè)規(guī)格為Φ10的高亮白光LED陣列(功率約為25W)進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果證明該驅(qū)動(dòng)電路性能良好。
2 LED驅(qū)動(dòng)特性
LED作為半導(dǎo)體冷光光源,它同白熾燈、鹵素?zé)簟⒐療艟哂忻黠@不同的驅(qū)動(dòng)特性。
2.1 電流-電壓特性
電流-電壓特性是LED的基本物理特性,它同一般PN結(jié)類似,具有死區(qū)電壓。當(dāng)輸出電壓超過(guò)死區(qū)電壓后,隨著電流的增加,PN結(jié)電壓變動(dòng)不大。PN結(jié)標(biāo)稱工作電流的大小取決于LED規(guī)格,如Φ52高亮白光LED,標(biāo)稱值為20mA,Φ10標(biāo)稱值為80mA,而1W的LED標(biāo)稱值電流為360mA。另外,PN結(jié)的壓降大小除了與PN結(jié)電流和溫度有關(guān)外,它還取決于制造材料特性。比如:當(dāng)PN結(jié)溫度為25°,電流為20mA時(shí),Φ52高亮白光PN結(jié)電壓約3.1V,而Φ52高亮黃光LED的PN結(jié)電壓約2V。
2.2 電流-光通量特性
電流-光通量特性是LED作為照明設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。LED輸出光通量的大小同PN結(jié)的電流大小有關(guān),在規(guī)定電流范圍,輸出光通量同電流成正相關(guān),如圖1(上)。不同的制造封裝廠家生產(chǎn)的相同規(guī)格的LED,它們的電流—光通量具有較大的區(qū)別。在20mA條件下對(duì)幾個(gè)不同廠家封裝的子彈頭Φ52高亮白光LED樣品的光通量進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)其光通量分別為4流明、3.54流明、3流明、2.5流明,有較大差別(說(shuō)明:本測(cè)試數(shù)據(jù)以廠家提供的樣品為測(cè)試對(duì)象);另外,在電流不變的情況下,隨著工作時(shí)間的增加,光通量均有所降低。
2.3 溫度-光譜特性
光譜特性是LED光源顯色指數(shù)和色溫的重要依據(jù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn),在PN結(jié)電流不變條件下,隨著PN結(jié)溫度的升高,LED光源發(fā)出的波長(zhǎng)將向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。
圖1(下)給出了LED的PN結(jié)溫度分別為20°、45°和70°時(shí)的光譜曲線。從圖中可見(jiàn),一方面:隨著溫度升高,峰值波向長(zhǎng)波移動(dòng),20°時(shí)峰值波長(zhǎng)為584.2nm,而45°和75°時(shí)峰值波長(zhǎng)分別為588.4nm,590.8nm;另一方面,在電流不變條件下,隨著溫度的升高輸出光通量降低。
3 LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
根據(jù)LED驅(qū)動(dòng)特性的分析可見(jiàn),(1)不同的LED所需的工作電壓、驅(qū)動(dòng)電流不同;(2)驅(qū)動(dòng)電流不變的情況下,隨著工作時(shí)間的增加,光通量有所降低;(3)驅(qū)動(dòng)電流不變的情況下,隨著溫度的升高光通量降低。而LED作為一般照明必須保證其輸出光強(qiáng)對(duì)時(shí)間和溫度具有相對(duì)穩(wěn)定性。因此,必須設(shè)計(jì)具有自適應(yīng)功能的LED驅(qū)動(dòng)電路,以提供適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷骸Ⅱ?qū)動(dòng)電流,并使其對(duì)工作溫度等外部條件變化引起的出光特性變化作出自適應(yīng)調(diào)整,以達(dá)到最佳的照明效果。
針對(duì)以上驅(qū)動(dòng)特性,本文提出了基于開(kāi)關(guān)電源的LED自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)方案。其總體框圖如圖2所示。
市電(50HZ,90V～264V)經(jīng)過(guò)50HZ整流后,送入由高頻變壓器初級(jí)繞組和開(kāi)關(guān)管組成的主回路,經(jīng)高頻變壓、整流得到所需的輸出。
該結(jié)構(gòu)的主控制芯片采用8腳封裝的sa7527。sa7527是一塊功能強(qiáng)大的芯片,它除了通用的PWM控制芯片的功能外,還提供了內(nèi)置R/C濾波器、啟動(dòng)定時(shí)器、過(guò)電壓保護(hù)、零電流檢測(cè)、乘法器、內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)以及特殊防擊穿電路等功能,內(nèi)部框圖如圖3。
利用sa7527可以設(shè)計(jì)出周邊電路簡(jiǎn)潔、低浪涌電流、高功率因素、低成本的LED驅(qū)動(dòng)電源。該電源主要包括以下幾個(gè)特性:(1)寬電壓輸入范圍;(2)恒流/恒壓特性;(3)自動(dòng)光衰補(bǔ)償功能。
以輸出功率約為25W的辦公室照明燈組驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)為實(shí)例,本驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。
3.1 主回路設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)定的輸出功率,首先確定LED燈組的聯(lián)接形式,LED燈珠的電路連接形式不同,供電的電壓電流參數(shù)有所不同。若LED燈珠串聯(lián)過(guò)多,當(dāng)某回路燈珠斷路時(shí),將引起整個(gè)回路燈珠死燈;反之,若并聯(lián)燈珠過(guò)多,當(dāng)某回路燈珠短路時(shí),可能導(dǎo)致該串電流增大,引起整個(gè)回路燈珠的提前老化甚至損壞。因此,我們使用100顆Φ102LED,采用的陣列形式聯(lián)接,即:20顆燈珠串聯(lián),然后5串并聯(lián)。整個(gè)LED燈組的輸出功率為約25W,工作電壓約為63V,驅(qū)動(dòng)電流約為400mA。
其次設(shè)計(jì)高頻變壓器。根據(jù)開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器的基本理論:輸出功率25W,開(kāi)關(guān)頻率取30kHZ時(shí),選定變壓器磁心為EI25磁心。這種結(jié)構(gòu)的磁心與環(huán)形磁心相比具有線圈繞制方便、分布參數(shù)影響小、磁心窗口利用率高、散熱性好、系統(tǒng)絕緣可靠等優(yōu)點(diǎn);考慮到線包損耗與溫升,把電流密度定為4A/mm2,那么初級(jí)和次級(jí)用Φ0.41線徑的漆包線繞制,反饋用Φ0.19漆包線;計(jì)算輸入/輸出電壓比例關(guān)系確定初/次級(jí)匝數(shù)比為:120匝:40匝,另外再加8匝sa7527反饋繞組。為了減小分布參數(shù)的影響,初級(jí)采用雙線并繞連接的結(jié)構(gòu),次級(jí)采用分段繞制,串聯(lián)相接的方式。在變壓器的絕緣方面,線圈絕緣選用抗電強(qiáng)度高、介質(zhì)損耗低的復(fù)合纖維絕緣紙。
驅(qū)動(dòng)電源的具體電路如圖4所示。主回路的開(kāi)關(guān)管選用耐壓1KV,電流2A的MOS場(chǎng)效應(yīng)管,并利用場(chǎng)效應(yīng)管源極電流檢測(cè),柵極驅(qū)動(dòng)電阻限流和保護(hù)二極管4148保護(hù)場(chǎng)效應(yīng)管可靠工作。
3.2 功能單元設(shè)計(jì)
3.2.1 寬電壓輸入
把輸入整流高壓取樣信號(hào)與輸出的檢測(cè)電壓分別輸入sa7527乘積運(yùn)算的兩輸入端3腳和2腳(MUL端子和SO端子),運(yùn)算結(jié)果作為PWM的控制信號(hào);當(dāng)輸入電壓降低時(shí),乘積運(yùn)算的結(jié)果減小,使PWM脈寬輸出增大,保證了在寬輸入范圍條件下輸出的穩(wěn)定。
由于sa7527乘法器MUL端子的電壓輸入范圍為0～3.8V,為了保證輸入電壓的寬范圍,我們?cè)O(shè)正常工作電壓2V(近似中間值)。因此,高壓分壓電阻比為(R5+R1)/R5=270V/2V(270V近似為正常220V交流輸入的全波整流濾波后的電壓值),由于MUL端的輸入電流最大為5uA,若該取樣電路的功率為1/8瓦,那么R5+R1≥900KΩ。故本設(shè)計(jì)取R1=2.7MΩ,R5=27KΩ。
3.2.2 恒流/恒壓功能
利用輸出端的電流取樣和電壓取樣信號(hào),通過(guò)光電耦合器件反饋到sa7527的反向控制輸入端1腳(INV端子)。當(dāng)輸出電流的取樣電阻壓降超過(guò)0.7V時(shí),流過(guò)光耦的電流主要受開(kāi)關(guān)電源輸出電流大小控制,此時(shí)開(kāi)關(guān)電源工作在恒流輸出狀態(tài);否則為恒壓輸出狀態(tài),并且輸出電壓大小取決于精密三端穩(wěn)壓TL431穩(wěn)壓大小。這樣的自動(dòng)恒流/恒壓特性有利地保護(hù)了LED出現(xiàn)開(kāi)路以及短路時(shí)可能導(dǎo)致的連鎖性破壞。
反饋信號(hào)隔離器選用光電耦合器PC817,它的電流傳輸比為1∶1,工作電壓VCE>1V,正向工作電流IF>1mA。由于INV端子正常工作電壓為2.5V,若取電流/電壓轉(zhuǎn)換電阻R10=1K,則光耦在前向工作的電流IF=2.5mA。
因此,由三級(jí)管Q3、電流取樣電阻R18和光耦PC817組成恒流反饋環(huán)節(jié)。當(dāng)輸出電流變化時(shí),取樣電阻R18的壓降引起Q3基極電壓的改變,使得通過(guò)光耦PC817的電流發(fā)生改變,從而達(dá)到穩(wěn)流的目的。恒壓輸出大小由TL431精密穩(wěn)壓源確定。該穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓為2.5V,并且工作電流IRC≥1mA,那么開(kāi)關(guān)電源恒壓輸出時(shí)電壓為[(R17+R19)/R17]×2.5V。根據(jù)輸出恒壓的大小以及電阻的功率我們可以確定R17,R19的取值。
3.2.3 自動(dòng)光衰補(bǔ)償功能
由于PN結(jié)溫度升高以及工作時(shí)間的增加將引起輸出光通量減低,而驅(qū)動(dòng)電流適當(dāng)增大則可提高輸出光通量。因此,為保持輸出光強(qiáng)穩(wěn)定性,利用光光路應(yīng)該盡量避免比較擁塞的鏈路,從而減少阻塞率,并為將來(lái)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行保持較好的性能。因此,目標(biāo)節(jié)點(diǎn)根據(jù)收集到的信息,計(jì)算每條可能的光路上可用空閑波長(zhǎng)的數(shù)量,以及每條光路所經(jīng)歷的跳數(shù),求其比值,取其大者;若仍存在相似的光路,就將光路中所經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)的度數(shù)考慮進(jìn)來(lái),經(jīng)驗(yàn)表明,度數(shù)越大的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生擁塞的可能性越大,協(xié)議將盡量避免開(kāi)這樣的節(jié)點(diǎn)。
由此可見(jiàn),本文所提出的協(xié)議充分地考慮到了WDM全光網(wǎng)絡(luò)中路由和波長(zhǎng)分配所涉及的各種因素,包括:波長(zhǎng)的連續(xù)性限制、路徑的總開(kāi)銷、阻塞率、擁塞避免等,并用一種分布式的方法予以實(shí)現(xiàn),是一種實(shí)用性較高的協(xié)議。
4 結(jié) 論
本文探討了WDM全光網(wǎng)絡(luò)中的路由及波長(zhǎng)分配問(wèn)題,深入研究了影響WDM網(wǎng)絡(luò)的各種因素,在綜合考慮各種因素的基礎(chǔ)上,提出了一種分布式的路由及波長(zhǎng)分配協(xié)議。該協(xié)議具有開(kāi)銷小、阻塞率低及可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn),是一種實(shí)用性較高的協(xié)議。