【導(dǎo)讀】LED以其長(zhǎng)壽命、低功耗、高效安全的優(yōu)勢(shì)被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，LED也被應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域，LED的輸出光流明數(shù)、波長(zhǎng)與電流、PN結(jié)的溫度息息相關(guān)。常規(guī)的驅(qū)動(dòng)電路不能有效滿足LED照明驅(qū)動(dòng)的要求。本文從LED燈珠的驅(qū)動(dòng)特性出發(fā)，結(jié)合LED驅(qū)動(dòng)特性提出自適用照明驅(qū)動(dòng)。
1、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)?、汞燈具有明顯不同的驅(qū)動(dòng)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<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-光通量具有較大的區(qū)別。在20mA條件下對(duì)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(cè)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(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。
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(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)。
根據(jù)LED驅(qū)動(dòng)特性的分析可見:
(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。
2、具體LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
結(jié)合LED驅(qū)動(dòng)特性，以功率約為25W的辦公室照明燈組驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)為實(shí)例。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(duì)以上設(shè)計(jì)對(duì)象特性，本文提出了基于開關(guān)電源的LED自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)方案。其總體框圖如圖1所示。
2.1、sa7527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，還提供了內(nèi)置R/C濾波器、啟動(dòng)定時(shí)器、過電壓保護(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2。
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(jí)和次級(jí)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(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。
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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(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:
2.3.2、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0.7V時(shí)，流過光耦的電流主要受開關(guān)電源輸出電流大小控制，此時(shí)開關(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=1kΩ，則光耦的前向工作的電流IF=2.5mA。
因此，由三極管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IRCE1mA，那么開關(guān)電源恒壓輸出時(shí)電壓為:
2.3.3、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，利用光敏電阻RW和溫敏電阻RT實(shí)現(xiàn)光衰的自動(dòng)補(bǔ)償。當(dāng)RT檢測(cè)到LED工作溫度升高時(shí)，MUL端子對(duì)地的等效電阻降低，MUL端子輸入信號(hào)變小，使得輸出電流大小隨溫度的升高而有所上升，有效地補(bǔ)償了溫度升高后LED光通量減低的矛盾。另外，PN結(jié)溫度升高將引起PN結(jié)壓降的升高，驅(qū)動(dòng)電源可能過早的從恒流轉(zhuǎn)入恒壓工作的情況，從而影響LED光通量的穩(wěn)定性。為此，在輸出端子引入恒壓輸出電壓補(bǔ)償端子，當(dāng)溫度升高時(shí)，適當(dāng)提高恒壓?jiǎn)?dòng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)電壓，從而可靠的實(shí)現(xiàn)恒流/恒壓功能。
3、應(yīng)用實(shí)例
我們使用100顆明學(xué)Φ10-LED，采用的陣列形式聯(lián)接，并均勻的鑲嵌在600mm×600mm的鋁塑天花板上，如圖4所示。對(duì)開發(fā)的25W辦公照明驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行實(shí)際測(cè)試(具體電路參數(shù)如圖3)，輸出功率為約25W，工作電壓約為63V，驅(qū)動(dòng)電流約為400mA。在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載條件下，功率因素為0.92，效率為87.5%，電壓輸入范圍達(dá)82～290V，自動(dòng)恒流精度±0.4mA，過電壓自動(dòng)轉(zhuǎn)入恒壓功能，隨著溫敏電阻阻值的變化，恒流輸出電流值發(fā)生相應(yīng)的改變，最大變化幅度為8mA。
結(jié)語
本文在LED的光電參數(shù)特性前提下，提出一種基于sa7527開關(guān)電源結(jié)構(gòu)的LED驅(qū)動(dòng)電路。該驅(qū)動(dòng)電路克服了常規(guī)LED驅(qū)動(dòng)電路的缺陷，對(duì)LED溫度升高引起的光衰進(jìn)行了自動(dòng)補(bǔ)償。實(shí)際試驗(yàn)表明，該驅(qū)動(dòng)電路高效、安全、可靠，可廣泛用于各種LED產(chǎn)品的照明驅(qū)動(dòng)。
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