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論文大功率led恒流驅動電路的研究與設計(編輯修改稿)

2024-07-25 23:04 本頁面
 

【文章內容簡介】 動方式上,多采用并聯(lián)驅動。對于照明用白光 LED 的驅動電路,要求有較大的驅動電流,較好的光匹配度,因此多采用串連驅動。 大功率 LED 驅動電路的發(fā)展趨勢隨著大功率 LED 在燈光裝飾和照明中的普遍應用,功率型 LED 驅動顯得越來越重要。用市電驅動大功率 LED 需要解決降壓和恒流問題,還要有比較高的轉換效率,有較小的體積,長時間工作,較低的成本,電磁干擾和功率因素等問題 [9]。(1) 驅動器需要適合 LED 的工作特性大功率 LED 是低電壓、大電流的驅動器件,其發(fā)光的強度由流過 LED 的電流決定,電流過強會引起 LED 的衰減,電流過弱會影響 LED 的發(fā)光強度,因此,LED 的驅動需要提供恒流電源,以保證大功率 LED 使用的安全性,同時達到理想的發(fā)光強度。如深圳天下明公司開發(fā)的 T220C350W 系列產品,其電流脈沖的頻率和占空比可以調整,該驅動器提供恒定的電流充分可控,所以可以根據(jù) LED 的性能調節(jié)最大流過LED 的電流,使得 LED 的發(fā)光量增加。由于采用脈沖供電, LED 處于間歇工作的狀態(tài),延長了大功率 LED 的使用壽命。另外,該驅動器是高頻工作,充分利用了 LED 內熒光粉的余輝效應,不但不會有光的閃爍現(xiàn)象,還進一步提高了 LED 的發(fā)光效率。(2) 體積小型化隨著 LED 的進一步發(fā)展,向照明領域的不斷進軍,向民用市場的逐漸普及。大功率LED 電源設計的小型化發(fā)展是一個必然的趨勢,這對 LED 驅動器提出了新的課題。(3) 多功能保護LED 在電流過強時,引起 LED 衰減,導致 LED 的壽命縮短。恒定的電流在 LED照明中極其重要,這就需要驅動器提供過流保護功能。良好的 LED 的驅動器保護功能是必不可少的,如過流保護、過溫保護、短路保護、安全保護等。(4) 功率因素功率因數(shù)是加在負載上的電壓和電流波形之間的相角余弦(若電壓波形與電流波形的相角差為 ,則 cos 便是電源的功率因數(shù)) 。當加在負載上的電壓和電流波形相位一致φ時(即相角差 =0),則功率因數(shù) cos =1 是理想的情況;當加在負載上的電壓和電流波φ形相角差為 90176。時(即 =90) ,則功率因數(shù)等于零(處于最小值) ;通常,電源的功率因數(shù)處于 0 到 1 之間,即 0≤cos ≤1,可用百分數(shù)表示。加在負載上的電壓和電流波形之間存在相位差導致的結果之一是供電效率降低,即產生所要求的電力需要輸入更大的電力。導致的另外一個結果而且是更嚴重的后果,那就是電壓和電流的波形差產生過多的高次諧波。大量的高次諧波反饋到主輸入線(電網) ,造成電網被高次諧波污染成為惡性事故的隱患。同時,這種高次諧波也會擾亂控制系統(tǒng)里的敏感低壓電路。隨著節(jié)能理念的深入人心,大功率 LED 的發(fā)展日趨成熟, “功率因素”的指標也被LED 電源驅動行業(yè)提上議題,交流系統(tǒng)里實際功率等于視在功率乘以功率因素。(5) 長壽命對于大功率 LED 要進入普通照明領域,和其匹配的驅動電源同樣面臨著長壽命的要求,已經成為制約 LED 發(fā)展的一個瓶頸問題,各大驅動電源廠商也都意識到這一點,更是 LED 應用廠商更加關注的一點,它將決定 LED 整體節(jié)能高效的性能能否真正實現(xiàn)。 大功率 LED 驅動現(xiàn)狀研究大功率 LED 恒流驅動常用方法有電阻限流、線性控制調節(jié)、電荷泵升壓、開關變換器控制等。下面對現(xiàn)有的各種控制方法進行簡要的介紹 [1015]。 電阻限流電路這類應用的原理圖如圖 24 所示,電阻限流電路控制方式是根據(jù) LED 的 IV 曲線來確定預期正向電流所需要的電壓,過一個串聯(lián)電阻來控制 LED 的電流。一般根據(jù) LED參數(shù)和發(fā)光強度,可以得到 LED 的直流電流,從而可知 LED 兩端的電壓,限流電阻值: (2inFDVyRxI??1)式中:V in 為電路的輸入電壓;I F 為 IED 的正向電流;V F 為 LED 在正向電流為 IF 時的壓降;V D 為防反二極管的壓降(可選)。圖 24 電阻限流電路這個應用方案簡單易行,只需要一個限流電阻就可以控制 LED 的光強,但存在不少的缺點:輸入電壓的微小變化都會導致 LED 電流的變化,從而影響光通量輸出;限流電阻上會消耗大量的功率而使得整個系統(tǒng)效率不高;當這種調光方式在對白光 LED 燈進行亮度調節(jié)時,會使 LED 發(fā)出的白光顏色發(fā)生偏移,不利于把這種控制方式用于日常照明系統(tǒng),所以這種方式多用在對光色要求不高的情況。 線性控制電路 與電阻限流法相比,線性控制法在精度上有了很大的提高。其基本的原理是:線性控制是把工作于線性區(qū)的功率管等效為一個動態(tài)電阻,通過負反饋系統(tǒng)調節(jié)功率管的阻值大小使得流過 LED 的電流維持在一個恒定的值。但是由于功率管工作在線性區(qū),消耗了較多的功率,系統(tǒng)的效率不高。線性調節(jié)器可以分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種。圖 25 并聯(lián)型線性控制器和串聯(lián)型線性控制器 并聯(lián)型線性調節(jié)器又稱為分流調節(jié)器。它采用功率管與 LED 并聯(lián),分流掉負載的一部分電流。與電阻限流電路相似,分流調節(jié)器也同樣需要串聯(lián)一個限流電阻 Rload,如圖18 (a)所示。當輸入電壓增大時,流過 LED 上的電流增加,反饋電壓增大使得功率管Q1 的動態(tài)電阻減小,流過 Q1 的電流將會增大,這樣就增大了限流電阻 Rload 上的壓降,從而使得 LED 上的電流和電壓保持恒定。分流調節(jié)器同樣由于串入了限流電阻,系統(tǒng)的效率不高,并且在輸入電壓變化范圍比較寬的情況下很難做到恒流輸出。串聯(lián)型調節(jié)器是采用功率管與 LED 串聯(lián),當輸入電壓增大時,使功率管的動態(tài)電阻增大,從而使得功率管上的壓降增大,以保持 LED 上的電壓(電流)恒定,如圖 18(b)所示。這種控制方式與并聯(lián)型線性調節(jié)器相比,由于少了串聯(lián)的線性電阻,使得系統(tǒng)的效率較高。但是由于功率三極管或 MOSFET 管都有一個飽和導通電壓,因此輸入的最小電壓必需大于功率管的飽和電壓與負載電壓之和,使得整個電路的電壓調節(jié)范圍受限。 電荷泵升壓電路電荷泵升壓電路(圖 26)又稱為開關電容升壓控制器。它利用分立電容將電能從輸入端傳送到輸出端,整個電路不需要任何的電感。電荷泵變換器設計比較簡單,只需根據(jù)元件規(guī)格來挑選適合的電容。但它的主要缺點是只能提供有限的輸出電壓范圍,大多數(shù)充電泵電路的輸出電壓增益為輸入電壓的 1,3/2 ,或 2 倍。若要驅動多個 LED 時,必須采用并聯(lián)驅動方式。此時為了防止并聯(lián)支路上電流分配不均,每條并聯(lián)支路上必須使用鎮(zhèn)流電阻,這樣會消耗大量的功率,整個系統(tǒng)的效率就會降低。圖 26 電荷泵升壓電路 開關變換電路開關電源電路通過調節(jié)開關功率管的通斷比可以調節(jié)輸出電壓的大小,理論上將功率管的損耗降低為 0V。開關電源作為能量變換中效率最高的一種方式,特別適用于大功率LED 的亮度控制。與傳統(tǒng)的電壓型 Buck, Boost, BuckBoost 變換器不同的是大功率LED 的驅動電路的反饋量是流過 LED 的電流信號而不是輸出電壓信號,以此來滿足LED 的恒流驅動要求。采用 Buck 拓撲可以實現(xiàn)低于輸入電源電壓的輸出。這是一種定周期、定時刻導通的控制方式,通過控制 LED 的峰值電流來調節(jié) LED 的亮度,整個控制電路結構比較簡單。采用 Boost 可以實現(xiàn)高于輸入電源電壓的輸出幅值。與電荷泵電路不同的是 Boost理論上的升壓增益可以無窮大,所以在連接多個 LED 方式時可以采用串聯(lián)方式,保證了每個 LED 的發(fā)光亮度都相同,并且限流電阻也只需要一個,有效的提高了整個系統(tǒng)的效率,可以說是所有驅動電路中效率最高的。不過與電荷泵升壓電路相比,需要電感元件,增加了系統(tǒng)的成本和體積。與傳統(tǒng)的 BuckBoost 變換器相比,用于大功率 LED 驅動的BuckBoost 型變換器電路是將開關管移至輸入電壓的負端,從而使得開關管的驅動更加簡單。通過控制 LED 的峰值電流及其導通占空比,來調節(jié) LED 的平均電流,以達到LED 亮度調節(jié)的目的。圖 27 Buck、Boost 、BuckBoost 型大功率 LED 驅動電路第三章 脈寬調制型(PWM)開關電源原理脈沖寬度調制方式(PWM) ,其開關頻率恒定,通過調節(jié)導通脈沖的寬度來改變占空比,從而實現(xiàn)對能量向負載傳遞的控制,稱之為“定頻調寬” 。本章將介紹降壓型脈寬調制型(PWM)開關電源 DC/DC 變換器 Buck 拓撲的基本結構,Buck 結構的變換原理和控制方式。開關電源 DC/DC 變換器從控制模式上可以分為兩類,電壓控制模式(Voltage Control Mode)和電流控制模式(Current Control Mode) 。下面分別介紹電壓控制模式和電流控制模式的原理和特點 [16][17][18]。 電壓控制模式取代線性變換器的開關型變換器早在 20 世紀 60 年代就開始應用。它將快速通斷的晶體管置于輸入和輸出之間,通過調節(jié)占空比來控制輸出直流電壓的平均值。降壓型的電壓模式開關電源 Buck 變換器的原理圖如圖 31 所示。其中開關器件 Q1 與直流輸入電壓 VDC 直接相連。在每個周期 T 內,Q1 導通時間為 Ton。在 Q1 導通時,V1 點電壓為VDC(設 Q1 導通時兩端的電壓降為零) 。Q1 關斷時 V1 點的電壓迅速下降為 0V(假設續(xù)流二極管 D1 的兩端的電壓降也為零),則 V1 點的電壓波形為矩形波,如圖 32 所示,Ton 時的電壓為 VDC,其余時間電壓為零,則 V1 點一個周期內的平均電壓直流值為VDC*Ton/T。 LC 濾波器接在 V1 和 Vo 之間它使輸出點 Vo 成為幅值等于 V DC*Ton/T 的無尖鋒無紋波的直流電壓。圖 31 電壓模式開關電源 Buck 拓撲的原理圖其邏輯關系是,當 VDC 上升時,則 Vo 上升,誤差放大器輸出電壓 Vea 下降,鋸齒波高于 Vea 的時間提前,也就是 Q1 導通時間 Ton 縮短,使得 Vo =V DC *Ton/T 保持不變;同理,如果 VDC 下降,則 Q1 導通時間 Ton 延長,最終的結果也保證 Vo 不變。由此可以總結出,無論輸入電壓 VDC 如何波動,電壓控制系統(tǒng)都會改變 Q1 的導通時間Ton,使得最終的輸出電壓維持在 Vo =Vref(1+R2/R1)。下面就詳細的分析一下整個電路的工作過程和波形變化,假設輸出為 Vo。圖 32 Buck 變換器連續(xù)工作模式下各節(jié)點波形 在每個周期開始時,電感 L 上的初始電流為 I1,Q1 由控制信號驅動后導通,二極管反偏截止,加在 L 上的電壓的大小為 VDCVo,由于電感兩端的電壓恒定,所以流過電感的電流線性上升到 I2,其斜率為 。當控制信號使 Q1 關斷時,由于電DCO()dI=tL感的電流不能突變,所以電感兩端電壓極性迅速顛倒,二極管導通續(xù)流,這種電壓極性顛倒的現(xiàn)象稱為電感反沖。如果沒有接二極管 D1,則 V1 點的電位會變得很負以保持電感 L 上的電流方向不變,這會讓 Q1 兩端的電壓差過大而損壞開關,接上二極管后,實際 V1 點的電壓被箝位于比地低一個二極管導通壓降。電感兩端的電壓極性反轉后,電感中的電流線性下降,其斜率為 。Q1 關斷結束后,電感上的電流降低到D1O(V+)dI=tLI1。當 Q1 再次導通時,D1 的電流減少,Q1 上的電流迅速增加并取代了二極管的 D1正向電流直到 D1 上的電流為零,D1 再次反偏,V1 恢復到 VDC,電感的電流開始重復前一個周期的變化過程。在整個周期內,電感的電流會有 I2I1 的上下波動,輸出電流 Io的大小就是 。雖然 Io 會根據(jù)負載的變化而變化,但是整個電感電流上升和下??121I+I降的斜率卻和負載無關 [16]。以上討論的 Buck 變換器的工作過程是基于穩(wěn)定工作時電感上的電流在下降的過程中沒有下降到 0,也就是 I10,我們稱這種模式為連續(xù)工作模式,如圖 32 中所示。如果電感上的電流在下降的過程中下降至零,也就是在電感上的儲能被完全釋放,我們稱這種工作模式為不連續(xù)模式,如圖 33 所示。圖 33 不連續(xù)工作模式下的電流波形圖不連續(xù)工作模式輸出電壓和輸入電壓的關系推導如下。在一個周期 T 內,當 Q1 開啟時,電流從 0 開始增加,則直到 Q1 關斷時電感電流為 ,Q1 關斷期間DCOon(V)I=LToff,假設經過 Tr 時間(也就是二極管 D1 導通得時間)后電
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