LED驅(qū)動(dòng)電源可靠性設(shè)計(jì)研究

李傳偉

(威海職業(yè)學(xué)院，威海264210)

0 引言

隨著LED效率的迅速提高、成本的不斷下降，LED市場(chǎng)正在由手機(jī)的背光源和汽車儀表照明，以及亮度要求不高的特殊照明和景觀照明領(lǐng)域向普通白光照明領(lǐng)域擴(kuò)展。

LED是一種固態(tài)冷光源，是繼白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度放電燈之后的第四代光源。它具有以下特點(diǎn):①發(fā)光效率高，能量消耗低。由于LED的光譜幾乎全部集中于可見光區(qū)域，效率可達(dá)到80% ～90%，大功率LED照明的耗電量?jī)H為相同亮度白熾燈的10%～20%。②安全，環(huán)保。大功率LED的工作電壓為3～4 V的直流電，因而沒有電磁干擾。LED產(chǎn)生的廢棄物可回收，無(wú)污染，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。③壽命長(zhǎng)，可靠性高，LED的平均壽命長(zhǎng)達(dá)50 000 h，大功率照明LED以其特殊的電子結(jié)構(gòu)保證其工作時(shí)有良好的穩(wěn)定性和可靠性，甚至在水下也能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地工作。而且它沒有傳統(tǒng)燈泡的鎢絲、玻璃殼等易損部件，維護(hù)費(fèi)用低廉。LED的工作溫度范圍也很寬，在-40℃～85℃之間均能正常工作。④單色性能好，色彩豐富。光色純，光線質(zhì)量高，單一顏色LED的光譜狹窄，譜線單一，集中在可見光波段。⑤體積小，重量輕，可以靈活地排列搭配使用。⑥響應(yīng)時(shí)間短，LED的響應(yīng)時(shí)間只有數(shù)十納秒。

近年來(lái)，LED以其環(huán)保、發(fā)光高效的特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在照明方面應(yīng)用越來(lái)越廣泛。就目前的發(fā)展來(lái)看，大家最為關(guān)心的是燈的壽命問(wèn)題，而現(xiàn)在無(wú)論是燈使用者還是生產(chǎn)廠都看到，燈的壽命取決于驅(qū)動(dòng)電源，99%以上的燈故障都是由于驅(qū)動(dòng)電源引起的，LED的壽命長(zhǎng)達(dá)50 000 h，但與之配套的驅(qū)動(dòng)電源的壽命僅為10 000 h。所以LED燈照明裝置能否應(yīng)用推廣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是其驅(qū)動(dòng)電源問(wèn)題，筆者就提高大功率(100～200 W)驅(qū)動(dòng)電源的可靠性從如下兩大方面進(jìn)行了探討。

1 防水及降溫處理

大功率LED燈一般安裝在室外，風(fēng)吹雨淋自然難免，做好防水工作是關(guān)鍵所在。目前大家通用的方式是灌膠，而膠導(dǎo)熱系數(shù)的差異直接影響電源的散熱效果，最終影響壽命。

(1)選擇符合高耐寒要求的膠，防止在超低溫下膠體開裂等失效現(xiàn)象，要考慮灌注膠溫度對(duì)器件性能的影響，不能選用灌注溫度過(guò)高的膠，灌注溫度應(yīng)低于150℃，選用-40～+150℃的高品質(zhì)膠。

(2)膠體的電氣絕緣性能等級(jí)要符合要求。

(3)灌膠導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)電源散熱影響情況，由于電源的殼體結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，因此驅(qū)動(dòng)電源的散熱主要通過(guò)膠體傳導(dǎo)，將熱量傳導(dǎo)到殼體，而后通過(guò)對(duì)流散熱。表1是導(dǎo)熱系數(shù)不同的膠體的電源器件和殼體溫度情況(輸入電壓～100 V，輸出48 V/3 A，環(huán)境溫度25℃)。

表1 不同導(dǎo)熱系數(shù)的膠體對(duì)溫度的影響

通過(guò)比較可知良好的導(dǎo)熱系數(shù)可以降低電子器件的溫升，進(jìn)而能夠提高器件使用壽命，增加LED驅(qū)動(dòng)電源的可靠性。

(4)選用具有較高阻燃性能的灌膠，如果LED燈電源在使用時(shí)發(fā)生火災(zāi)，將會(huì)造成生命和財(cái)產(chǎn)安全問(wèn)題。

(5)膠體的固化收縮率對(duì)電源器件會(huì)產(chǎn)生很大影響，固化收縮率過(guò)大的膠將導(dǎo)致元器件連接應(yīng)力的過(guò)大，導(dǎo)致器件變形甚至損壞。因此要選用收縮率較小的膠體，通常選用固化收縮率小于0.1%的膠體。

2 驅(qū)動(dòng)電源電路設(shè)計(jì)

目前LED驅(qū)動(dòng)電源存在驅(qū)動(dòng)能力較低，保護(hù)功能較少，輸出電壓電流不穩(wěn)定，可靠性差等問(wèn)題，很難達(dá)到要求，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提出了驅(qū)動(dòng)電源硬件電路的設(shè)計(jì)方案，本設(shè)計(jì)能夠很好地提高LED驅(qū)動(dòng)電源的可靠性。

2.1 總體電路設(shè)計(jì)

LED驅(qū)動(dòng)電源的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。圖1中主電路中U為220 V交流輸入電壓;RC，CC和DC構(gòu)成RCD電路;T為變壓器;S為開關(guān)管;D為整流二極管;C為整流電容;RC為采樣電阻，具體電路如圖1所示。

電路在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到電路的可靠性，輸入端應(yīng)具有隔離電路，以保護(hù)電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全。輸入端設(shè)計(jì)了輸入保護(hù)電路，用來(lái)保護(hù)LED驅(qū)動(dòng)電源在電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生脈動(dòng)瞬態(tài)干擾下能夠正常工作，并有效抑制共模和差模干擾。為了提高電路的功率因數(shù)，電路中采用了有源功率因數(shù)校正電路。為了實(shí)現(xiàn)恒流輸出，采用電流反饋控制，RC采樣電阻感應(yīng)輸出電流大小，與參考點(diǎn)電壓進(jìn)行比較，輸出信號(hào)通過(guò)光電耦合電路輸入到控制器，產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，控制變壓器的工作方式，已達(dá)到變壓器恒流輸出。

圖1 LED驅(qū)動(dòng)電源總體設(shè)計(jì)電路

2.2 部分電路設(shè)計(jì)

(1)輸入保護(hù)電路設(shè)計(jì)

LED大功率燈驅(qū)動(dòng)電源一般用在室外，用電環(huán)境相對(duì)比較惡劣，且外界的各種干擾容易使電源出現(xiàn)問(wèn)題。同時(shí)，LED燈驅(qū)動(dòng)電源的故障，也容易對(duì)電網(wǎng)的安全造成隱患。因此，有必要在輸入端設(shè)計(jì)保護(hù)電路，用來(lái)保護(hù)用電設(shè)備和電網(wǎng)的安全。

電路中有負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，用來(lái)啟動(dòng)過(guò)電流保護(hù)。通過(guò)保險(xiǎn)絲進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。利用壓敏電阻來(lái)抑制瞬變傳導(dǎo)產(chǎn)生的干擾，吸收輸入端的浪涌和脈沖干擾。電路中設(shè)有共模與差模干擾抑制電路，用來(lái)減小LED驅(qū)動(dòng)電源對(duì)其他用電設(shè)備的干擾，同時(shí)可以抑制外界用電設(shè)備對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的干擾。

(2)功率因數(shù)校正電路

將交流220 V市電經(jīng)整流后供給負(fù)載使用，最常用的整流方式是由4個(gè)二極管組成的整流橋?qū)⒔涣麟娮儞Q為直流電，但是這種方法存在著一個(gè)無(wú)法避免的缺點(diǎn):由二極管和電容組成的非線性電路會(huì)產(chǎn)生大量的電流諧波和無(wú)功功率，造成電網(wǎng)的污染。這種諧波污染不僅會(huì)使電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變，而且還會(huì)造成用電設(shè)備的故障和損壞。另外，用電設(shè)備的功率因數(shù)越高，則有功功率所占的比重越大，設(shè)備就越節(jié)能。

為了提高功率因數(shù)，需要做兩個(gè)方面的工作:一方面減小輸入電流和輸入電壓之間的相位差φ，努力使兩者同相位;另一方面，需要減小輸入電流的諧波含量，采取一定的方法使輸入電流的波形接近正弦波。

基于上述要求，可以采用安森美公司生產(chǎn)的MC33260芯片作為有源功率因數(shù)控制芯片，此芯片只需要使用最少的外部元件便可以實(shí)現(xiàn)控制要求，可以極大地減小電感和功率開關(guān)的尺寸，降低系統(tǒng)的成本且功能還能達(dá)到要求。電路如圖2所示。

圖2 功率因數(shù)校正電路

(3)RCD緩沖電路設(shè)計(jì)

為了防止開關(guān)管被峰值電壓擊穿，通常可以采用的方法有如下兩種:一是減小漏感，二是通過(guò)設(shè)計(jì)RCD緩沖電路吸收很高的電壓尖峰能量。雖然在變壓器的加工過(guò)程中將線圈纏緊并緊密地包圍住氣隙，然后將線圈外圍包上銅箔可以有效地減小漏感;但變壓器漏感無(wú)法完全消失，因此需要設(shè)計(jì)RCD電路對(duì)電壓峰值進(jìn)行吸收，電路如圖3所示。

圖3 RCD緩沖電路

(4)變換電路設(shè)計(jì)

LED路燈驅(qū)動(dòng)電源所需的輸出功率較大，需要較高的轉(zhuǎn)換效率，且需要較好的調(diào)節(jié)性和較小的紋波，由于考慮到需要將LED照明裝置與電網(wǎng)隔離，以提高安全性，所以采用單端反激式DC-DC變換器，這種隔離式的DC-DC變換電路的變壓器不僅具有隔離和變壓的作用，還具有電感的特性，可以起到儲(chǔ)存能量的作用，且變換器工作于連續(xù)工作模式。這種變換器特別適用于功率為100 W～200 W之間的電源，且輸出電壓較高，輸出電流較小的場(chǎng)合。這種工作模式雖然會(huì)使變壓器副邊的二極管損耗較大，但可以減小變壓器的鐵芯損耗。變壓器副邊產(chǎn)生的串?dāng)_可以采用串聯(lián)飽和電感的方式來(lái)進(jìn)行抑制。

(5)PWM控制電路設(shè)計(jì)

DC-DC變換器的PWM控制原理有兩種:電壓控制型和電流控制型。考慮到穩(wěn)定性問(wèn)題，我們采用電流控制型PWM控制器，即NCP1230模塊(圖4)。它是一種峰值電流控制模式的PWM控制器，具有向前極供電的功能，在空載時(shí)關(guān)閉PFC電路，能夠提高電源的效率。這款芯片還具有周期跳頻，內(nèi)部斜坡電壓補(bǔ)償，軟啟動(dòng)等一系列功能。

圖4 NCP1230模塊PWM控制電路

2.3 電路的EMC防護(hù)

LED燈的驅(qū)動(dòng)電源受安裝環(huán)境條件的影響，很容易受到電磁干擾，特別是雷擊干擾。為此，驅(qū)動(dòng)電源在設(shè)計(jì)階段就要考慮這個(gè)問(wèn)題，并且要達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)。例如，防雷要求要達(dá)到D級(jí)，線線之間電壓承受±6 kV，線地之間±6 kV，在產(chǎn)品試驗(yàn)過(guò)程中，直流輸出范圍應(yīng)與正常服務(wù)條件一致:DC輸出電壓的波動(dòng)應(yīng)在±10%以內(nèi);在試驗(yàn)過(guò)程中或試驗(yàn)結(jié)束后，驅(qū)動(dòng)電源運(yùn)行時(shí)不應(yīng)有報(bào)警、錯(cuò)誤報(bào)警等等。

3 小結(jié)

隨著大功率白光LED的發(fā)展，成本也會(huì)降低，其驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)也將隨之得到發(fā)展，大功率LED應(yīng)用在照明領(lǐng)域中，將很快成為現(xiàn)實(shí)。以上提出的影響電源可靠性的幾個(gè)關(guān)鍵方法，來(lái)源于我們?nèi)粘?shí)踐研究，經(jīng)過(guò)一系列驗(yàn)證試驗(yàn)，各項(xiàng)性能符合要求。

［1］毛興武，張艷雯，周建軍，等.新一代綠色光源LED及其應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，2008

［2］朱俊高，張志華.提高LED路燈驅(qū)動(dòng)電源可靠性的幾個(gè)方法［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2009.8

［3］羅小兵，楊江輝，劉勝.溫度和濕度對(duì)LED可靠性的影響及其機(jī)制分析［J］.半導(dǎo)體光電，2009.6

［4］崔元日，束惠.淺談白光LED照明［J］.光源與照明，2008(1):34～35