大功率LED照明驱动智能调光的电路的设计

点赞:16852 浏览:72352 近期更新时间:2023-12-25 作者:网友分享原创网站原创

【摘 要】LED灯作为高效优质照明光源,能提供更环保、更节能、高效照明品质,发展前景广阔.本文通过分析LED灯结构特点、驱动要求及调光方式,分析了D802PWM控制器的驱动电路设计,最后阐述了大功率LED照明智能调光电路.

【关 键 词】LED照明驱动;智能调光;电路

LED照明使用安全可靠,环保无污染,且维护相当方便,业界专家认为此项技术将成为未来照明的主流.LED属于非线性器件,导通过后只需稍微改变一下电压就能增加很多电流,所以微小的电压反应也会极大的影响LED工作情况,如电流过大极易发热损坏.LED驱动的最佳方式是采用恒流源驱动,这样电流不会受到LED参数离散性、环境温度、电压的影响,确保电流一直处于恒定状态,可以将LED的优良特性一一表现出来.驱动电路具备较高的功率、效率因数,将较小的谐波电流注入电网,可以有效减轻电网供电质量产生的影响,而且体积小、成本低、重量轻.LED照明中不可或缺的一部分就是智能化调光部分,它是LED照明驱动器发展的趋势.

一、LED灯结构特点

LED灯主要由配光系统、散热系统、驱动电源和机械、防护结构几部分组成[1].配光系统包括发光源(LED灯板)、均光罩(灯壳);散热系统包括内外散热器、导热板等;驱动电源输入的是市电交流电,包括线性恒流源和高频恒流源;机械、防护结构包括散热器、绝缘套、均光罩等.LED灯壳分为多头组合式、分裂式和整体式等多种形式.

二、LED照明的驱动要求、特性和调光方式

理论上LED的照明光效为300lm/W,不过目前市场化水平仅达到了120lm/W,其导通电压大约为3.0-4.3V,以PN结为核心,当LED上加载的电压比导通电压小时,LED上基本上不会有电流通过,导通LED之后,依据正向电压指数变化规律,正向电流会产生相应的改变,即便是很小的电压也会引发极大电流变化.如导通区电压由80%的额定值变为100%,电流怎会发生相应的变化,从0%的额定值变为100%【2】.LED的相对光通量与正向电流IF之间的关系如图1所示.如图两者之间是正比关系,对LED正向电流实施控制就能够调整发光亮度.当LED以恒压源进行驱动时,小电压也能引发大电流变化,所以仅适用小功率范围,而大功率、高要求状况下均采用恒流驱动.LED的发光亮度会伴随工作时间的长短而改变,工作时间长,亮度减弱,电流增加,光效减少,因此亮度和驱动电流为饱和关系.当电流达到70%-80%之后,会转化成热能,这是最适宜的驱动电流[3].恒压驱动及PWM调光时电流最大≤3倍最小电流,超过这个范围会降低LED使用寿命.目前市场上LED单个功率多为<10W.另外,将LED电流改变也会将亮度随之改变,因此有两种相应的LED调光方式.其一,对LED中电流大小尽享连续调节,也称模拟调光;其二,将流过LED的电流时间和关断时间比改变,LED中通过的是恒定的电流,将其关断后流经LED的电流为零,称为PWM调光[4].PWM调光的原理是以人眼无法察觉的频率将LED进行快速开关,开关帧≥100Hz.不管是模拟调光还是PWM调光,只要流经LED平均电流相同,效果没有差别.在某特定大小电流通过LED时,会产生纯白光,电流值偏离后会逐渐发生色偏.需注意的是提供长情况下LED相应时间很短,一般在几纳秒至几十纳秒之间,特别适合应用在开关频繁场合[5].因此采用PWM调光方式最好,还利于散热.

三、LED照明的驱动电路设计

LED属于非线性器件,导通之后电压细微变化就会增加较大的电流,影响LED器件工作质量,甚至引发发热损坏,采用恒流源驱动是最佳驱动方式[6].D802属于PWM控制器,能够组成固定开关频率的恒流LED驱动电路.IC可直接450V直流电压,电路简单,极少的元器件,生产成本较低,可实现>90%的转换率;能满足不同负载要求,对于多个串联大功率IED同样适用;用户可设定开关频率,范围25kHz-300kHz;适用模拟调光和PWM调光,内部设有过载保护、欠压锁存保护,确保工作温度可是控制在40℃-80℃.

1.工作原理

图2表示D802内部结构、元器件电路.电压输入之后可直接到达VIN端,主要的内部结构组成部分有:7.5V线性稳压器、振荡器、电压比较器(2个)、250mV基准电压、RS触发器、消隐电路等组成;主要的外界元器件为:ROSC(确定振荡器频率)、采样电阻RCS、续流二极管D1、开关管Q1、电感L1、稳压器外接电容CDD等.如VDD电压>VLO,输出为高电平,通过对外部功率峰值电流进行限制实施工作.因外部电流采样电阻串联功率MOET源极,所以电压消除电路会将信息反馈至CS脚,一旦CS脚电压比设定的阈值电压大,会自动结束GATE驱动信号,断开功率管.通常内部设定峰值电流阈值电压为250mV,软启动将电容(1个)连接在LD脚上,电压会依据设定的期望速率上升,保证输出电流逐渐上升.

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2.驱动电路设计

D802应用电路如图3所示.

(1)设定工作频率.外部电阻ROSC基于25kHz-300kHz范围内进行振荡器工作频率设定.即:fOSC等于25000/(ROSC[kΩ]+22)[kHz].我们设定50kHz为D802的工作频率,可计算得出ROSC的值为470kΩ,即:ROSC等于25000/fOSC[kHz]-22等于478kΩ,取ROSC值470kΩ.

(2)电感设计.D802典型应用电路中,设置的纹波电流为30%的正常LED电流(正常电流ILED等于350mA)正常电压VLED等于66V.整流后正常输入电压VIN等于311V,开关占空比D为0.212(D等于VLED/VIN).开关频率fOSC是50kHz,功率通导时间TON为4.24us(TON等于D/fOSC).电感L≥9.9mH,即L≥(VIN-VLED)×TON/0.3ILED.其中VIN是整流后10%变化电压,ton代表的是开关管导通时间,电感L1等于10mH,则饱和电流等于1A.(3)续流二极管D1选型.续流二极管选用MUR160.其额定电流等于1A,耐压为600V.续流二极管D1选型时最好选用反向恢复时间较短的.

(4)N沟道MOS管的选型.依据VDSS等于1.25Vin等于389V,电流>3倍ILED原则,选用4N60(额定电流等于4A,耐压为600V)的MOS管.

(5)计算采样电阻.Rcs等于0.25/(ILED+0.5×0.2ILED)等于0.649Ω.所以Rcs等于0.65Ω.

四、LED照明的智能调光应用方式

大功率LED照明适宜采用电流If幅值不变(LED工作电流),仅仅改变If,对电流脉冲单位时间内宽度进行调整实现智能调光,不用改变光谱,不会产生白光偏色.一般采用以下方式[7]:

1.频率调制方式

保持矩形脉冲电流宽度不变,仅仅将单位时间内LED上的矩形脉冲电流个数改变,促使平均电流发生较大范围变化,实现大范围的LED亮度调节.

2.脉宽调制方式

这是一种常见的LED亮度调节方式,把LED上的矩形脉冲电流宽度改变,促使平均电流发生较大范围变化,实现大范围的LED亮度调节.

3.位角调制方式

利用一串二进制序列脉冲,依照位值比例对每一位序列脉冲宽度进行延展,将单位时间内在LED上所占的位值延伸宽度进行改变,促使平均电流发生较大范围变化,实现大范围的LED亮度调节.

图4表示的是应用PWM信号进行LED亮度控制的电路.IC的EN端子可以实现开关变换器开/关运行,在此基础上施加PWM信号,能实现LED以某种速率进行开/关,获得调节LED亮度功能.利用A/D转换器可以将Tr1的输出信号转化成数字信号,计算出LED平均电流ILED(g).计算公式为:

ILED(g)等于ILED(g)

式中ILED(g)表示开关变换器输出电流;SDUTY表示PWM信号所占的空因子(%).

五、总结

大功率LED照明驱动及智能调光电路的设计需要注意以下问题:(1)电源的可靠性应高,需具备高功率因数,采用较高电源效率,可减小耗损功率,降低灯具温升;(2)设置浪涌保护电路,由于LED抗浪涌能力较弱,电路设计时应格外注意;(3)电源应具备防水、防潮、符合电磁兼容要求、外壳耐高低温能力强、使用寿命适配LED使用寿命等.希望通过本次研究,实现LED照明的广泛应用,LED产业健康发展奠定基础.