LED具有高效、長壽命、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,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.

然而,LED的輸出光流明數(shù)和波長同pN結(jié)的溫度以及電流密切相關(guān).常規(guī)的驅(qū)動電路,如電容降壓電路和開關(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)動的要求.因此,本文從分析LED燈珠的驅(qū)動特性出發(fā),結(jié)合LED的驅(qū)動特性提出一種自適應(yīng)照明驅(qū)動電路.針對100顆規(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)測試結(jié)果證明該驅(qū)動電路性能良好.

1LED驅(qū)動特性

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)動特性.

1.1電參數(shù)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)輸出電壓超過死區(qū)電壓后,隨著電流的新增,pN結(jié)電壓變動不大.pN結(jié)標(biāo)稱工作電流的大小取決于LED規(guī)格,如5-高亮白光LED,標(biāo)稱值為20mA,10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25o,電流為20mA時(shí),5-高亮白光pN結(jié)電壓約3.1V,而5-高亮黃光LED的pN結(jié)電壓約2V.

1.2光學(xué)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).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-光通量具有較大的差別.在20mA條件下對幾個(gè)不同廠家封裝的子彈頭5-高亮白光LED樣品的光通量進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)其光通量分別為4lm、3.54lm、3lm、2.5lm,有較大差別(說明:本測試數(shù)據(jù)以廠家供應(yīng)的樣品為測試對象);另外,在電流不變的情況下,隨著工作時(shí)間的新增,光通量均有所降低.

1.3溫度特性

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)出的波長將向長波方向移動.

根據(jù)LED驅(qū)動特性的分析可見:

(1)不同的LED所需的工作電壓、驅(qū)動電流不同;

(2)驅(qū)動電流不變的情況下,隨著工作時(shí)間的新增,光通量有所降低;

(3)驅(qū)動電流不變的情況下,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)對時(shí)間和溫度具有相對穩(wěn)定性.因此,必須設(shè)計(jì)具有自適應(yīng)功能的LED驅(qū)動電路,以供應(yīng)適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷?、?qū)動電流,并使其對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.

2具體LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

結(jié)合LED驅(qū)動特性,以功率約為25W的辦公室照明燈組驅(qū)動電源的設(shè)計(jì)為實(shí)例.其中,使用100顆φ10-LED,采用LED陣列聯(lián)接形式,即:20顆燈珠串聯(lián),然后5串并聯(lián).

針對以上設(shè)計(jì)對象特性,本文提出了基于開關(guān)電源的LED自適應(yīng)驅(qū)動方法.其總體框圖如圖1所示.

市電(50Hz,90V～264V)經(jīng)過50Hz整流后,送入由高頻變壓器初級繞組和開關(guān)管組成的主回路,經(jīng)高頻變壓、整流得到所需的輸出.利用sa7527可以設(shè)計(jì)出周邊電路簡潔、低浪涌電流、高功率因素、低成本的LED驅(qū)動電源.該電源重要包括以下幾個(gè)特性:(1)寬電壓輸入范圍;(2)恒流/恒壓特性;(3)自動光衰補(bǔ)償功能.

2.1sa7527主控芯片

該結(jié)構(gòu)的主控制芯片采用8腳封裝的sa7527[5].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,還供應(yīng)了內(nèi)置R/C濾波器、啟動按時(shí)器、過電壓保護(hù)、零電流檢測、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2.

2.2高頻變壓器設(shè)計(jì)

根據(jù)開關(guān)電源高頻變壓器的基本理論:輸出功率25W,開關(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,那么初級和次級用0.41線徑的漆包線繞制,反饋用0.19漆包線;計(jì)算輸入/輸出電壓比例關(guān)系確定初/次級匝數(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,初級采用雙線并繞連接的結(jié)構(gòu),次級采用分段繞制,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.

2.3功能單元設(shè)計(jì)

2.3.1寬電壓輸入

把輸入整流高壓取樣信號與輸出的檢測電壓分別輸入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;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,我們設(shè)正常工作電壓2V(近似中間值).因此,高壓分壓電阻比為:

(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5A,若該取樣電路的功率為1/8W,那么R5+R1E900kΩ.故本設(shè)計(jì)取R1=2.7MΩ,R5=27kΩ.