大功率區(qū)域照明LED驅(qū)動電源方案 - 全文

　　摘要：從大功率LED 區(qū)域照明驅(qū)動的原理、結(jié)構(gòu)、控制方法研究，提出了PWM 整流電路的控制方法和SLM2842 恒流驅(qū)動的架構(gòu)，適合LED 路燈等大功率區(qū)域照明應用。

　　1 前言

　　在各種能源消耗中，據(jù)統(tǒng)計在照明領域電能的消耗占總電能消耗20%，因此提高照明的能源使用效率、降低其能源消耗具有十分重要的意義。采用高能效的LED 照明正在成為目前主要的發(fā)展方向。

　　從目前的照明領域現(xiàn)狀來看，應用于大功率區(qū)域照明的現(xiàn)有光源（如金屬鹵素燈、高壓鈉燈、線性熒光燈及緊湊型熒光燈）存在著不少局限，如高壓鈉燈的顯色性差，金屬鹵素燈的典型燈具損耗較高（40%）且其從啟動到發(fā)光至完整亮度經(jīng)歷的時間可能長達10 分鐘，線性熒光燈的冷溫度性能差，緊湊型熒光燈的啟動速度也較慢。

　　LED 具有傳統(tǒng)光源不具備的優(yōu)勢，例如發(fā)出每流明光所消耗的電能更少、方向控制性更好、色彩質(zhì)量更佳、環(huán)保，并且其開啟和關閉能夠更方便地控制，便于自動檢測環(huán)境光從而改變亮度；隨著高亮度的（LED）成本下降和性能的提高，在大功率區(qū)域照明方面，越來越多地用LED 取代金屬鹵素燈、高壓鈉燈，此外，LED 的可靠性也更好，利于降低維護成本及總體擁有成本。

　　2 大功率區(qū)域照明對LED 驅(qū)動電源的要求

　?。?）高可靠性。

　　能適應惡劣的環(huán)境的要求， 特別像LED 路燈的驅(qū)動電源，因為安裝在高空，維修不方便。

　　（2）高效率。

　　LED 是節(jié)能產(chǎn)品，驅(qū)動電源的效率要高。電源的效率高，它的耗損功率小，在燈具內(nèi)發(fā)熱量就小，也就降低了燈具的溫升。

　　延長了LED 燈具的使用壽命。

　?。?）高功率因數(shù)。

　　對于大功率區(qū)域照明對LED 驅(qū)動電源，如果功率因數(shù)低，會對電網(wǎng)產(chǎn)生較嚴重的污染。

　?。?）驅(qū)動方式。

　　現(xiàn)在通行的有兩種：其一是一個恒壓源供多個恒流源，每個恒流源單獨給每路LED 供電。另一種是直接恒流供電，LED串聯(lián)或并聯(lián)運行。多路恒流輸出供電方式是大功率區(qū)域照明LED 驅(qū)動電源發(fā)展方向。

　?。?）浪涌保護。

　　由于LED 元件抗浪涌電流的能力比較差， LED 驅(qū)動控制電源必須采取抑制浪涌電流的措施。

　　3 大功率區(qū)域照明LED 驅(qū)動電源方案

　　在大功率LED 區(qū)域照明應用中，常見的是用市電交流220V 作輸入電源，通采用工頻變壓器降壓，其缺點是體積大，輸出電流穩(wěn)定性差，效率低。因此設計研究體積小、輸出電流穩(wěn)定、效率高、可靠性高的LED 驅(qū)動電源，具有很大的實際意義。

　　本文提出了基于BUK 變換器的恒流源LED 驅(qū)動電路設計方案，如圖1 所示。

　　圖1 大功率區(qū)域照明LED 驅(qū)動電路原理圖

　　3.1 AC/DC 開關電源（36V/240W）原理

　　（1）PWM整流電路原理。

　　傳統(tǒng)的晶閘管相控整流輸入電流滯后于電壓，滯后角隨著a的增大而增大，位移因數(shù)隨之降低，輸入電流中諧波分量大，功率因數(shù)很低。二極管整流雖位移因數(shù)接近1，但輸入電流中諧波分量很大，所以功率因數(shù)也很低。因此AC/DC 整流降壓采用PWM整流電路， 其工作原理如圖2 所示，在整流運行狀態(tài)下， 當外加電壓》 0 時，由V2、D4、D1、L 和V3、D1、D4、L 分別組成兩個升壓斬波電路。當V2 導通時，外部電源通過V2、D4 向L 儲能，當外加電壓《 0 時，由V1、D3、D2、L 和V4、D2、D3、L 分別組成兩個升壓斬波電路，工作原理和外加電壓》 0 時類似；當V2 關斷時，L 中儲存的能量通過D1、D4 向直流側(cè)C 充電。由于的L 濾波作用，諧波電壓只使輸出電流產(chǎn)生很小的脈動。

　　圖2 PWM 整流電路原理圖

　?。?）PWM整流電路的控制方法。

　　PWM整流電路的控制方法是通過運算求出直流輸入電壓指令值，再引入直流電壓反饋，通過對直流電流的控制而使其跟蹤指令電流值。其原理如圖3 所示。

　　圖3 電流控制電路原理圖。

　　控制系統(tǒng)的閉環(huán)是整流器直流側(cè)電壓控制環(huán)，直流電壓給定信號和實際直流電壓Ud 比較后送入PI 調(diào)節(jié)器，PI 調(diào)節(jié)器的輸出為一直流電流信號Id，Id 的大小和整流器交流輸入電流幅值成正比。當負載電流增大時，C 放電而使其Ud 下降，PI調(diào)節(jié)器的輸入端出現(xiàn)正偏差，使其輸出Id 增大，使整流器交流輸入電流增大，也使Ud 回升。 負載電流減小時，調(diào)節(jié)過程和上述過程相反。

　　3.2 SLM2842 恒流驅(qū)動原理

　　大功率區(qū)域照明一般采用交流市電供電，故采用比較高的輸出電壓（36V 以上）以提高效率，故采用降壓型恒流源。采用大功率降壓SLM2842J 的實際電路，輸出電壓為36V，輸出功率可達60W，最高效率可達98%.其原理如圖4 所示。

　　圖4 SLM2842 恒流驅(qū)動電路原理圖。

　　3.3 驅(qū)動電源的主要功能及技術(shù)指標

　　3.3.1 輸出架構(gòu)

　?。?）負載為6 組LED，每組為8 串5 并；（2）AC/DC 恒壓開關電源輸出為28V，最大功率200W，效率92%;（3）可調(diào)光降壓型恒流模塊SLM2842JD，輸入電壓28V，輸出電流1.4A;（4）程序調(diào)光控制器可在點燈后啟動，并按照一定程序自動調(diào)光。

　　3.3.2 輸出電流

　　LED 是非線性器件，當正向電壓變化10%將引起正向電流變化30%.另外，當環(huán)境溫度升高時，LED 正向工作電壓將下降，引起正向電流增加，電流增加又將引起管芯結(jié)溫進一步的增加，如此不斷的惡性循環(huán)電流會越來越大，以致?lián)p壞LED.

　　故不能采用電壓控制。LED 電流與LED 光通量的比值是非線性的，應該使LED 在高光效電流值下工作。多個LED 可以串聯(lián)驅(qū)動，電流恒定，可以使電路的效率提高而使其亮度均勻。

　　本文提出驅(qū)動電源的其電流誤差小±5%（如圖5 所示）。

　　圖5 SLM2842 恒流特性圖

　　3.3.2 亮度調(diào)節(jié)功能

　　在區(qū)域LED 照明應用中，都需要LED 調(diào)光功能。通常的調(diào)光方式是減少LED 電流或者是讓LED 快速導通和截止。由于輸出光強度不全與電流成正比，LED 光譜在電流低于額定值時還常會移動，所以減少LED 電流不是很有效率的做法，需要大范圍的調(diào)節(jié)電流才能達到較好調(diào)光效果。本文提出驅(qū)動電源的包含PWM調(diào)光功能的降壓轉(zhuǎn)換電路，能不斷接通和切斷LED 與電路的聯(lián)接，這種架構(gòu)讓控制回路永遠處于運行狀態(tài)，故能提高響應速度。

　　3.3.3 保護功能

　?。?）過壓、欠壓保護。

　　2842 芯片的關閉閾值設在36V，開啟閾值設在10V.輸出電壓可在達到過電壓設定值時驅(qū)動器自動關閉電源。

　?。?）短路、斷路保護。

　　當LED 發(fā)生短路故障時，驅(qū)動器輸出電流恒定，其它LED仍能正常工作；當LED 發(fā)生斷路故障時，輸出電壓可在達到過電壓關閉閾值時驅(qū)動器自動關閉電源，以起到短路、斷路保護作用。

　　4 結(jié)束語

　　大功率區(qū)域照明LED 驅(qū)動電源技術(shù)將向智能化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展。系統(tǒng)模式是在能源管理控制器的控制下通過模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)反饋到控制終端，對環(huán)境的亮度、LED燈組溫度等參數(shù)實時控制，實現(xiàn)對區(qū)域照明系統(tǒng)的智能化控制。采用Zigbee 技術(shù)可為大功率LED 區(qū)域照明系統(tǒng)組成一個區(qū)域網(wǎng)絡。