新型LED路燈電源驅動器研究*

晏劍輝

(瀘州職業技術學院，四川瀘州646005)

LED路燈照明是一種省電、節能、低碳環保的照明光源，市場前景廣闊［1］。我國在2009年開展了“十城萬盞”計劃［2］，在21個城市進行了試點工作，LED路燈以其突出的示范效應成為各類半導體照明技術中的一大亮點。LED的理論壽命是5×104h，但是在試點過程中發現LED路燈照明也存在許許多多的問題，如故障多、使用壽命短，沒有過多久就報廢了。造成LED省電節能，而不省錢的現象，甚至遭到公眾的質疑。綜合分析其故障根源，95%的問題都是電源驅動器的元器件損壞導致LED路燈壽命提前終結，而并非LED光源自身壽命所引起的［3］。本文旨在研究一種基于單片機智能控制的無電解電容器的電源驅動器開關電源。通過使用扼流圈、磁放大器原件等長壽命的器件取代電解電容器，進行電源中紋波濾波，提高電源驅動器的壽命，進而提高LED路燈的使用時間。

1 LED的工作原理分析

1.1 LED發光原理

照明發光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs(砷化鎵)、GaP(磷化鎵)、GaAsP(磷砷化鎵)等半導體制成的，其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-N特性，即正向導通，反向截止、擊穿特性。其發光過程是在正向電壓下，電子由N區注入P區，空穴由P區注入N區。進入對方區域的少數載流子(少子)一部分與多數載流子(多子)復合而發光。發光二極管中包含2種或3種顏色的芯片假設發光是在P區中發生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發光，或者先被發光中心捕獲后，再與空穴復合發光。除了這種發光復合外，還有些電子被非發光中心(這個中心介于導帶、介帶中間附近)捕獲，而后再與空穴復合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光［5］。

1.2 LED發光與半導體材料禁帶寬度Eg關系分析

按發光管發光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色(又細分黃綠、標準綠和純綠)、藍光等。發光的復合量相對于非發光復合量的比例越大，光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區內發光的，所以光僅在靠近PN結面數μm以內產生。理論和實踐證明，光的峰值波長λ與發光區域的半導體材料禁帶寬度Eg有關，即λ≈1 240/Eg(mm)。其中，Eg的單位為電子伏特(eV)。若能產生可見光(波長在380 nm紫光～780 nm紅光)，半導體材料的Eg應在3.26 eV～1.63 eV之間。比紅光波長長的光為紅外光。由此可見LED發光與PN內置節控制的電源電壓有密切的關系。

2 LED的工作電源分析與LED發光

在工頻電源供電的LED燈的外接電源通常為220 V或380 V，為了有效的禁帶寬度Eg，需要對LED電源驅動電路輸出的電流和電壓進行很好的控制，以達到LED正常工作的所需的電壓。傳統的LED電源供電電路的整流、降壓、穩壓主要是由開關電源和電容等原件組成，存在有一下問題。

從技術層面來看，LED本身的壽命往往長達幾萬小時，但有時8 000 h就不錯了。造成這種現象的原因是什么?

圖1 開關電源示意圖

綜合分析其故障根源，95%的問題都是電源驅動器的元器件損壞導致LED路燈壽命提前終結，而并非LED光源自身壽命所引起的。LED光源自身的壽命并不是LED路燈的使用壽命。LED路燈的使用壽命是由LED光源壽命和驅動電路的壽命共同決定的。由于電解電容的有效工作壽命，在很大程度上受環境溫度及作用在內部阻抗上的紋波電流導致的內部溫升影響，而電解電容制造商提供的電解電容額定壽命是根據暴露在最高額定溫度環境及施加最大額定紋波電流條件下得出的。在105℃時典型電容額定壽命可能是5 000 h［6］，電容所實際遭受的工作應力相比額定電平越低，有效工作壽命也就越長。因此，電解電容的不匹配，直接影響到了LED燈的使用壽命。在工頻電網的LED路燈電源驅動電路中都是采用降壓式開關電源，如圖1所示。

圖2為調整元件S開關通斷時的波形。

圖2 調整元件S開關通斷時的波形

當開關接通的持續時間為ton，斷開持續時間為toff，開關轉換周期為T=ton+toff，則輸出電壓的等效值為

式中:δ為脈沖占空比系數，它等于ton/T。由此可見，調整輸出電壓等效值的大小唯一的方法就是改變占空系數。實現占空系數調節的方法以PWM(脈寬調制器)為主。我們從公式中得知PWM脈寬調制始終周而復始地接通ton和斷開toff，持續地產生如圖2的方波波形，很明顯輸出的電壓值存在峰值電壓Vp-p和谷值電壓0值。顯然這個方波值必須經過電解電容平滑濾波才能得到穩定可靠的Uav值，具有濾波電容的開關電源示意圖與波形如圖3和圖4所示。

圖3 濾波電容的開關電源示意圖

圖4 開關電源波形

這就是為什么目前成千上萬種LED路燈驅動電源必須使用電解電容的瓶頸所在即:當電解電容一旦失效，Uo實際輸出的電壓峰值Vp_p等于Ui，瞬間可以燒毀LED光源芯片。

在電子器件中，電解電容器壽命的計算公式如下:(以下數據是日本日立公司生產的電容器壽命數據)。從上述公式和列表中可知電解電容的正常壽命只有2000 h～10 000 h。

表1 Max.Core temperature rise setting(snap-in type)

3 新型LED路燈電源驅動器的設計

基于對電容器問題，同時由于市網電源電的電壓、頻率波動也會影響電源驅動器的電壓輸出的穩定性，因此本文從整流、降壓、穩壓幾個方面關鍵流程，對電源驅動電路進行優化設計，提出了以一下3項關鍵技術措施:

(1)使用MCU單片機數字控制［7-8］，實現APC(自動相位控制)技術輸出多相等幅多相位方波群疊加的直流DC電壓［9］。

(2)使用磁放大穩壓器進行電源的穩壓和恒流，減少市網電源電壓突變時涌流對輸出電壓的影響。

(3)在電源驅動器上使用永久性的電子器扼流圈對高頻調制波進行濾波，代替電解質電容器，完全使電源驅動器無電解電容化。

3.1 關鍵技術的實施

(1)基于單片機智能控制的多相位方波群整流電路分析

傳統的電源驅動采用的整流電路的4只整流二極管，被接成橋路后封裝成一個整流器件，稱“硅橋”或“橋堆”。根據二極管的單向導通的工作原理，整流變相在正弦交流電壓的零點換向。傳統整流電路與波形如圖5所示。

圖5 傳統整流電路與波形圖

從圖5可以看出，整流處的4個電壓波在時間上依次相差180°疊加，并且整流波過零點時，其電壓為0 V，輸出的最高電壓為有效值U的1.414倍，即輸出的電壓不穩定。

通過單片機智能控制的可控硅觸發時間［3］可以得到比較均衡電流波，如圖6所示。

圖6 智能控制的可控硅電路與波形圖

從圖6可以看出，整流觸發設為60°時，整流的6個電壓半波在時間上依次相差60°疊加，得出的波形比較平穩，而輸出的最小值不再為零點，而是

其中Vmin是最小電壓，VP是電壓的有效值。

在進一步調整觸發角度時，可以得到更加平穩而的直流電壓。取代常規的PWM脈寬調制技術，PWM調制必然是產生峰值和谷值的DC/DC轉換技術，這種技術是需要大容量的電解電容進行濾波，才能輸出平滑的直流電壓的。并且在整流觸發角度可以通過反饋電路進行調整，是的電路的輸出電壓更加平穩，進而達到半導體材料所需的禁帶寬度Eg。

(2)基于電感線圈取代電解電容的電路

傳統的電路穩壓和濾波都是用的是電解容，如圖7所示。

圖7 傳統電解電容的電路與波形圖

由于電解電容的有效工作壽命在很大程度上受環境溫度及由作用在內部阻抗上的紋波電流導致的內部溫升影響。電解電容制造商提供的電解電容額定壽命是根據暴露在最高額定溫度環境及施加最大額定紋波電流條件下得出的。在105℃時典型電容額定壽命可能是5 000 h，電容所實際遭受的工作應力相比額定電平越低，有效工作壽命也就越長。因此，電解電容的不匹配，直接影響到了LED燈的使用壽命。

利用電感線圈可以實現使用磁放大穩壓器進行電源的穩壓和恒流，減少市網電源電壓突變時涌流對輸出電壓的影響。在電源驅動器上使用永久性的電子器扼流圈對高頻調制波進行濾波，代替電解質電容器，完全使電源驅動器無電解電容化，使用磁放大穩壓器進行電源的穩壓和恒流如圖8所示。

圖8 電感穩壓電路與波形

3.2 新型系統組成與工作原理［10］

新型LED路燈電源驅動器由7部分組成:①防雷措施與浪涌電壓電流電路;②多相整流電路;③DCDC開關電源電路、扼流圈;④磁放大器電路;⑤穩壓恒流輸出電路;⑥穩壓恒流與移項鎖項控制電路;⑦電流、電壓取樣與單片機控制電路。如圖9所示。

圖9 新型LED路燈電源驅動器原理方框圖

工作原理:當50 Hz工頻電源連接到電源驅動器時，通過整流、降壓、穩壓、測量與反饋，然后由單片機進行智能分析調整輸出的電壓為恒定的電源供LED路燈使用［10-11］。各部份的作用如下:

首先防雷措施與浪涌電壓電流電路經過防雷措施、浪涌電壓電流的處理，使送到后級的電源沒有干擾，沒有雜波［12］;多相整流電路通過多相交流電全橋整流將交流電轉換成直流電，但是這個時候的電壓值特別高，即高壓直流電并不適合LED光源晶片的驅動。因此，我們必須將高電壓的電壓能量轉換低電壓才能使用，在這里DC-DC開關電源轉換器就起到這個作用。由于LED光源需要優質穩定的直流電源，我們在這里使用了多相相移鎖相控制電路對DC-DC轉換進行控制。各相DC-DC轉換輸出的方波群的高電平正好疊加在超前相位的低電平位置，最終形成沒有紋波的直流電壓。雖然這時候已經輸出的直流電壓已經可以驅動LED光源晶片進行照明了，但是這個時候輸出的直流電壓幅值會隨工頻50 Hz的市電有效值波動而波動，即不穩定的電壓會對LED壽命帶來影響，那么我們在這里增加了磁放大器對輸出的電壓值和電流值進行跟蹤控制，直流電壓經過磁放大器電路的控制，最終輸出的電壓值以及電流值精確地穩定在LED光源需要的幅值上。電流、電壓取樣與單片機控制電路對于DC-DC轉換的相位以及磁放大器的精確控制需要一個大腦中樞統一指揮和協調，這就是單片機程序的功能。單片機按照程序員預先植入的程序高速地執行，不斷地對本電源驅動器輸出的電壓、電流進行采樣，通過周密的計算后通過穩壓恒流與移項鎖項控制電路的執行單元對DC-DC轉換以及磁放大器進行控制。整個電路就這樣周而復始的工作，得到可靠的直流電壓電流輸出。如圖10所示。

圖10 單片機相移控制輸出圖

4 結語

新型LED路燈電源驅動器通過使用扼流圈、磁放大器原件等長壽命的器件對電源中紋波濾波，取代在驅動電路中的電解電容器，同時使用MCU單片機數字控制技術，實現APC(自動相位控制)技術輸出多相等幅多相位方波群疊加的更加平滑的直流DC電壓，解決了在整個電燈電路中的直流DC絕對存在較大電壓峰谷值的問題，實現了LED路燈所需的穩定電壓，有效提高了LED路燈的使用壽命。目前該產品已經通過了權威部門的性能檢測，同時在瀘州的部分企業進行試用，目前反饋回來的用戶報告反應壽命明顯提高

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