大功率LED驅動方案與模塊分析

順德職業技術學院 林云鋒 李國焱

1.引言

在當今時代，環保、節能、低碳已經成為全球熱門問題。在照明行業從最初的節能燈替代白熾燈，到現在新興起來大功率LED的應用，我相信大功率LED的應用將引發了一場光源新的革命，這是因為大功率LED特性所決定的。大功率LED所具有優點是：體積小、耗電量低、使用壽命長、高亮度、低熱量、環保、堅固耐用、可控性強等。我們在看到大功率LED優勢的同時，也要注意大功率LED一些難點：比如其驅動電壓低且電流大，因而對驅動電路特性要求很高；大功率LED工作時發熱量大，對工作溫度有嚴格限制，當發熱量超過溫度過高而很容易燒壞。在現時大功率LED普遍應用于路燈和投影機光源。現時應用于大功率LED做光源的投影機流明度過低，商業實用性還不是很強，而大功率LED路燈正在政府扶持下大力發展，應用越來越多。以下就以大功率LED路燈驅動為例，分析大功率LED驅動方案。

2.大功率LED驅動電路特點

在路燈領域中，大功率發光二極管需要滿足幾個設計要求，這幾個設計要求分別是：恒流輸出、散熱、效率、功率因素、過壓過流過溫保護等多個設計要素。以下是針對現時各種電源電路分析，從中比較那種電源更適合大功率做LED電源。

2.1 工頻變壓器線性穩壓源

圖1 線性穩壓源電路圖

圖2 普通開關穩壓源電路圖

在該電路中驅動電源有三大塊組成，這三大塊分別是工頻變壓器，整流濾波電路、恒壓電路。在這種電路中，工頻變壓器原線圈和副線圈完全隔離，要想得到電路需要的交流電壓就需要調整原副線圈的變比，這個工頻變壓器具有隔離、降壓的作用。該電路比較簡單，成本也較低，但是該電路也有其自身的缺點其缺點是：損耗大，效率低，體積大，溫升高，亮度不穩定。這類電路的變壓器在降壓的同時也會增加自身的損耗，這樣就會導致溫度的升高和能量轉換效率的降低。該電路在驅動當功率發光二極管的時候，必須串聯一個RES來限制和穩定流經發光二極管的電流，如果電流過大則會導致發光二極管的永久性損壞。在確定好了該電路能夠承受的串聯大功率發光二極管以后，就不能繼續增加發光二極管的數量，因為大功率白光LED的屬性不同，使得流經每個并聯LED分支很難有相同的電流，這樣就會出現各并聯的分支LED的發光亮度不一致的現象。該類電路的電能轉換效率低，不能實現節能的目的；工頻電壓的波動和電路的溫升導致的大功率白光LED的發光亮度不穩定，使得該電路不適用于路燈照明領域，線性穩壓源電路圖見圖1。

2.2 高頻變壓器開關穩壓源

這類驅動電源具有高頻變壓器電路構成其直流電壓是從變壓器次級繞組的高頻脈沖電壓整流濾波而來。變壓器原副線圈是隔離的，而輸入電壓是直接從交流市電整流得到的高壓直流。這類電路的功耗和體積都較小，質量較輕，穩壓范圍較寬效率較高，但是這類電路在進行控制的時候比較復雜，不但是亮度不太穩定而且有較高的器件要求。這類電路在具體執行的時候才用了一些大功率的開關晶體管，這些晶體管能夠快速恢復二極管以及高頻變壓器，開關轉換速度很快，這使得大功率開關晶體管的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高；由于沒有采用笨重的工頻變壓器，大功率開關晶體管的功耗又很小，省去了較大的散熱片，所以電源的體積小，重量輕；關鍵在于該類電路的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調節的，工頻輸入信號電壓的變化可以通過脈沖調制來進行補償，在出現電網電壓變化較大時，仍能保證有較穩定的輸出電壓。該類電路在驅動大功率白光LED的原理上和工頻變壓器線性穩壓源一樣，采用的是恒壓限流的方法，沒有符合大功率白光LED的非線性V-I曲線特性，所以在性能方面，仍存在串并連發光亮度不穩定和發光亮度不一致的問題；該類電路較之工頻變壓器線性穩壓源，在效率、體積、穩壓范圍方面有顯著的改善，所以在其他一些照明場合使用比較多，但該類電路仍不適合于路燈照明領域，普通開關穩壓源電路圖見圖2。

圖3 恒流源電路圖

2.3 恒電流源模式

這類電源的電路構成與工作原理：與高頻變壓器開關穩壓源具有共同特點：都具有高頻變壓器，直流電壓是從變壓器次級繞組的高頻脈沖電壓整流濾波而來。變壓器原副線圈是隔離的，而輸入電壓是直接從交流市電整流得到的高壓直流。其具有功耗小，效率高，體積小，重量輕，恒電流輸出，LED亮度穩定的優點，但是它也具有控制電路比較復雜，對元器件要求高，LED并聯亮度不一致的缺點。該類電路在驅動大功率白光LED的原理上，采用了恒電流控制的方法，具有自動限流作用，比之采用電阻的恒壓限流驅動的方法，更易于實現限流和過流保護；同時沒有額外的限流電阻，減小了電路損耗，提高了能量轉換效率。該類電路驅動方法符合大功率白光LED的非線性V-I曲線特性，避免了電壓輕微波動而造成的電流變動，從根本上解決了大功率LED串聯亮度不穩定的問題，保證了大功率LED的發光亮度恒定。在大功率白光LED的串聯數量方面，流經的大功率LED的電流不再受大功率白光LED串聯數量的限制；為了滿足不同的發光亮度需求，通過靈活的驅動多個大功率白光LED就可以實現。

圖4 大功率LED伏安特性曲線圖

圖5 大功率LED光通量與溫度曲線圖

圖6 NCL30001內部結構圖

圖8 基于NCL30001 90W實驗電路初級圖

圖7 基于NCL30001適用于大功率LED原理圖

圖9 基于NCL30001 90W實驗電路次級圖

對于大功率白光LED的并聯使用，該類電路仍無法保證并聯分支LED的發光亮度一致性。但可以使用多個恒電流電源，分別驅動不同的并聯分支LED，同時保證并聯分支LED屬性一致性，從而可以解決發光亮度一致性的問題；相對比較下，恒電流輸出模式比恒電壓模式更為適合在照明領域中使用，該類電路無論在能量轉換效率、發光亮度穩定性方面都更勝一籌，恒源流電路圖見圖3。

3.大功率LED的工作特性

圖4為正向導通壓降(VF)和正向電流的(IF)非線性關系曲線圖。由曲線可知，當正向電壓超過某個閾值，即通常所說的導通電壓之后，可近似認為，IF隨著VF的上升而急劇上升；由圖可知，大功率LED是低電壓、大電流的發光器件，當前大功率LED的最高IF可達1A，而VF一般為2～4V。

由于大功率LED的光特性通常都描述為電流(IF)的函數，而不是電壓(VF)的函數。加上LED生產工藝和溫度的不同，大功率LED的正向壓降(VF)變化范圍會出現比較大的波動(最大可達1V以上)，而由上圖中的VF-IF曲線可知，VF的微小變化會引起較大的IF變化；其LED發光的強度由流過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的發光強度。所以，采用恒壓源驅動不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性和壽命。因此，大功率的LED通常采用恒流源驅動，以保證大功率LED使用的安全性，同時達到理想的發光強度。圖5是LED的光通量(φv/lm)和溫度(℃)與關系曲線，由圖5可知光通與溫度成反比，所以良好的散熱是LED燈保持良好特性的保證。

4.實用電路分析

安森美推出NCL30001芯片專門是針對大功率LED的驅動，它是一種單段式續流模式，集成功率因數校正和隔離型降壓DC-DC的集成，并提供了短路和過壓保護。可以做到使用少數外圍元件達到高效電源能效。

從圖6 NCL30001內部結構圖所示，參考電壓發生器的輸出是輸入正弦波的經整流對比，正比于反饋(FB)，且反比于前饋(VFF)值。交流誤差放大器迫使電流感測放大器的平均輸出電流匹配參考電壓發生器的輸出。這個輸出(VERROR)通過參考電壓緩沖器驅動PWM比較器，而PWM比較器則累加VERROR值和瞬時電流值，并將結果與4.0V閾值進行比較。通過合適的補償后，這個設計就可以提供占空比控制。

圖10 基于NCL30001 90W實驗電路能效測試圖

NCL30001芯片包括了高壓啟動電路、電壓前饋以改善環路響應、輸入欠壓檢測、內部過載定時器、閂鎖輸入以及諧波高精度乘法器。另NCL30001具有可以減少EMI信號、減少噪聲、內部160ms故障檢測、過溫關閉電路等。

如圖7原理圖所示，NCL30001芯片作PFC控制器，工作頻率在20KHz至250KHz之間，結合NCS1002次級恒壓恒流控制芯片，我們可以通過調整次級控制電阻，就可以做出適用50W-125W驅動大功率LED電路。從安森美官方數據表明，在90-264伏輸入電壓下，此電路可以做到高于85%能效，且功率因數也高于0.9。

圖8及圖9是安森美基于NCL30001和NCS1002的實驗電路，在90-264伏輸入電壓下，可以輸出30V-55V的恒定電壓和0.7-1.5A的恒定電流，提供最大90W的輸出功率。且設置了短路開路保護、溫度過高、電流電壓過載保護。從圖8中可知，在輸出48V、1A時，能效高于87%，在50%至100%負載下，功率因數高于0.9。

實驗電路輸出電壓及電流的調整是通過電阻調整，改變電阻比例來確定的，如圖9電路中的R34為輸出電壓調整電阻，R32為輸出電流調整電阻。

5.功能模塊分析

采用模塊電源構成電源分布式系統，可提高電源系統供電的可靠性和供電的質量。采用移相控制零電壓開關PWM全橋變換器拓撲和三維疊層式封裝結構，完成了28V/36A輸出的模塊電源。建立了模塊的電源寄生參數模型，提出改善模塊電源和電磁兼容性能的措施。對模塊電源進行電氣性能的測試，給出電氣性能的測試結果。對模塊電源有效地進行了損耗分析，運用Flotherm軟件對模塊電源進行熱仿真分析，給出了溫度分布的仿真結果。三維疊層封裝結構實現了良好的熱設計效果。

高功率、高密度、高可靠性是模塊電源的發展方向和標準，薄型化是模塊電源的國際發展趨勢。模塊電源工作時，功率器件高速開關工作。器件關斷時，回路寄生電感儲存的能量釋放出來，產生差模干擾。高du/dt節點通過其對地的寄生電容，在地回路中產生共模干擾。為了研究模塊的電磁干分布式電源系統，因其設計周期較短，各負載之間的影響小，維護方便等優點已成為目前模塊電源系統的主流。中間母線結構是目前應用最為廣泛的分布式電源系統結構，它是由前端變換器、中間母線變換器以及負載點變換器組成。前端變換器將交流輸入變換成48V直流，中間母線變換器將48V變換成12V并實現電氣隔離，負載點變換器將12V變換成負載所需要的電壓。

6.結束語

進入二十一世紀以后，照明產業許多大的廠家和企業都把目光轉移到了大功率發光二極管的生產和制造中來。這是因為大功率發光二極管功能模塊比過去的照明工具來說具優點所決定的。除了大功率LED應用于路燈外，我們從新興發展的LED光源投影機來看，LED光源投影機輕薄便攜性特別有前景，如果將來高流明度LED光源投影機研制得以應用，到時我們大功率LED驅動電路發展那是更大的促進力。

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