一種基于電壓斬波和電流軟啟動CCR LED電源設計

任堰牛， 黃梓瑜， 李 杰， 杜航行

(西南石油大學電氣信息學院，四川成都610500)

一種基于電壓斬波和電流軟啟動CCR LED電源設計

任堰牛， 黃梓瑜， 李 杰， 杜航行

(西南石油大學電氣信息學院，四川成都610500)

恒流調節器(CCR)常用于中小功率家用LED照明驅動電源中，但是這類常見的電路在交流電壓波動時可能出現電源效率和LED電流不穩定的現象。論述了這類驅動電路的工作原理，分析了問題產生的原因，提出一種基于電壓斬波和電流軟啟動CCR LED電源的方案，理論分析和實驗數據都表明這種改進方案非常有效地解決了前述問題。

LED驅動器；CCR；電源效率；電壓斬波；電流軟啟動

常見的LED照明的驅動電源包括開關恒流驅動和線性恒流驅動兩種方案。前者屬于開關電源，能效較高，另一方面，在開關切換作用下，電路中的變壓器或電感的工作電流必然周期變化，從而感應出電磁波，甚至出現電磁干擾的問題。線性驅動方案無需電感之類的線圈元件，可避免電磁兼容方面的問題。這類電源常采用恒流調節器(CCR)來保持恒定的LED工作電流，輸出功率一般不大，然而其輸出功率可能會隨著交流供電電壓的隨機改變而變化，引起LED照明亮度變化，如果交流供電改變幅度較大，這種線性電源的效率也呈現較明顯的變化。本文對這類問題的原因進行分析并提出一種基于電壓斬波的CCR驅動方案，可在更寬的交流供電范圍內穩定工作。

1 常見的CCR LED驅動電源

1.1 工作原理

恒流調節器CCR在正常工作電壓下提供恒定的電流，如圖1所示電路中的1可近似為20 mA的恒流源，驅動著額定工作電壓120 V的LED燈珠串照明。在圖1中，當開關S1置于“A”觸點且S2斷開時，形成了一種簡單的準恒流驅動方案[1-2]，為方便討論稱其為方案A。R1和C1_A起著阻容交流降壓作用，交流通過橋堆整流，在穩壓二極管D5兩端形成不超過130 V的脈動直流電壓，為CCR和LED燈串提供直流工作電壓。在一個整流周期中，有一段時間內D5的端電壓會保持恒定的130 V，流過CCR和LED燈串的電流可保持穩定，而在其它時間內D5端電壓并非恒定不變，其值小于120 V越多，流過LED燈串的電流也會小于20 mA越多，甚至出現近乎0 mA的微電流。這種脈動的LED工作電流是一種準恒流驅動方式，并未充分發揮LED高亮度的性能。

解決上述問題的一個簡單有效措施就是在穩壓二極管D5兩端并入一個電容，如圖1所示，S2閉合且S1置于“B”觸點時，形成另一種方案B。由于電容C2有儲存電荷或電壓的作用，使其端電壓都在126～130 V之間小幅變化(交流供電不低于215 Vrms時)，通過CCR的恒流作用，LED工作電流可保持恒定。

圖1 常見CCR LED驅動電路

1.2 問題分析

一般C1_A和C1_B的參數選擇應兼顧較寬交流工作電壓、較穩定的輸出功率(LED電功率)和較高的電源效率三方面，但是交流供電在180～220 Vrms變化時，上述兩種方案的電源效率和輸出功率都呈現一定程度變化，如表1所示。當交流電壓升高時，流過穩壓二極管的電流和其消耗的功耗不容小覷，電源整體效率下降較明顯。如果以220 V時的實驗參數為基準，定義輸出功變化率為 (輸出功率～輸出功率220V)/輸出功率220 V，其大小可間接反映LED亮度的變化程度，就實驗數據而言，當交流供電低于220 Vrms時，方案A和B的輸出功變化率都有不同程度的負向變化。交流供電高于220 Vrms時，方案A的輸出功變化率為正向變化，而方案B保持不變。總之當交流供電電壓隨機變化時，兩種方案的電源效率和LED亮度都可能改變。

表1 圖1所示驅動電源的效率和輸出功變化率

2 基于電壓斬波的CCR LED驅動電源

假設去掉在方案B中的穩壓二極管后，無論交流供電如何變化，設法能使電容C2的端電壓保持在120 V以上小幅變化，通過前面的問題分析，可知電源的效率和輸出功變化率都能較好地保持穩定。一個行之有效的解決方法就是在橋堆濾波后加入電壓斬波[3]，如圖2所示，這種改進電路與原型電路[4]相比，不會出現電源效率隨交流供電電壓變化而明顯波動的問題，并且由于加入電流軟啟動的保護措施使得電路工作更加穩定。其實電路中的CCR專用集成芯片U1可以用更常見的三端穩壓芯片和一個電阻構成的恒流電路來代替的[5]。

圖2 基于電壓斬波的CCR LED驅動電路

2.1 工作原理

在圖2所示電路中，當全橋整流的輸出電壓從零逐漸增大到使得三極管Q1從關斷變為導通而使場效應管Q2從導通變為關斷時的電壓值稱為斬波閾值電壓TH。全橋整流的輸出電壓和斬波閾值電壓的大小關系決定了開關器件Q1、Q2、D5以及D6的工作狀態，如表2所示。電路中R1、R2和R3的分壓作用使得D5和Q1在通斷之間轉換，D6的穩壓作用可保護Q2的柵極。

表2 開關器件的狀態

上電后的電路有兩個重要工作階段：

(1)軟啟動階段

(2)恒流階段

2.2 重要參數的設計

交流電壓在較寬范圍內變動時，為維持恒定的LED工作電流以及較高較穩的電源效率，需要遵循兩個原則：(1)TH不要超過LED工作電壓過多；(2)斬波器的電阻既能對TH進行合適的分壓來通斷Q1和Q2，其自身功耗又足夠小。在這兩個原則下，設計重要的參數。

即使C2端電壓下降至L時，也能維持LED的20 mA工作電流，則要滿足下式：

觀察圖3，可知C2的放電時間遠大于充電時間，也即C2端電壓從TH下降到L經歷的時間近乎于交流的半周期10 ms，而且期間的放電電流幾乎全部供與LED恒流工作，可計算TH約為：

圖3 電容C2和電阻R0的端電壓波形

2.2.2 斬波器的電阻

2.3 實驗數據

在交流供電變化時，圖2所示的CCR LED驅動電源的效率和輸出功變化率的實驗數據如表3所示，輸出功變化率同樣也是以220 V時的實驗參數為基準。從表3中的實驗數據可見電源效率維持在83%～87%，而恒定輸出功率表明LED燈的亮度也是非常穩定的。

表3 圖2所示驅動電源的效率和輸出功變化率

2.4 實驗分析

圖1和圖2所示的電路有存在超過36 V的電壓，做實驗時除注意一般的用電安全外，還需滿足以下措施：(1)必須用隔離變壓器將連接初級的市電和次級輸出的交流隔離開來后，才能用已接地的示波器來測量波形；(2)斷開交流電后，不能立刻直接觸摸電路。可用萬用表測量并確保各電容的端電壓已經安全后，方可接觸電路。對于圖2所示電路，可持續按下鍵Button，加快電容C2放電，發光二極管D8由亮變暗直至熄滅，表明C2的端電壓已經進入安全范圍內；(3)圖1所示的兩種不同實驗方案切換時，必須先斷開交流電，待各電容端電壓都為安全值后，才可切換開關S1和S2到相應位置，再進行實驗。

3 結論

從理論分析和實驗數據可知這種基于電壓斬波的CCR LED驅動電源能在很寬的交流電壓100～260 Vrms范圍的內工作，以恒定的電流驅動LED燈串穩定地照明，具有較穩定的電源效率。我們提出的設計方法可拓展應用于LED燈串總驅動電流20～100 mA和LED工作電壓60～200 V的室內照明，雖然交流工作電壓范圍會有所不同，但是同樣具備前述的優點。

[1]虞秋波，朱佳南，陳尚智，等.低電流線性LED驅動器設計方案[J].燈與照明，2013,37(2)：46-47.

[2]錢金川.新穎恒流穩流器LED驅動方案應用[J].中國電子商情(基礎電子)，2012(3)：47-48.

[3]任堰牛.用于LED照明的非開關電源驅動電路的分析[J].電源技術，2013，37(4)：673.

[4]SHEARD S.Driver circuit lights architectural and interior LEDs[J]. EDN，2011(15)：41-42.

[5]REN Y N.An improved offline driver lights an LED string[J]. EDN，2013(1)：51-53.

Design of CCR LED power based on voltage chopping and soft current starting

REN Yan-niu,HUANG Zi-yu,LI Jie,DU Hang-hang

The constant current regulator(CCR)is generally utilized in domestic LED driver power with low or medium power.However,when AC voltage fluctuates,the LED current and power efficiency of this common circuit are unstable probably.The principle of the typical circuit was introduced,and the cause of the problems was analyzed. A CCR LED power driver based on voltage chopping and soft current starting was proposed. Both theoretical analysis and experimental data show that the improved scheme can effectively solve the two problems above.

LED driver；CCR；power efficiency；voltage chopping；soft current starting

TM 922

A

1002-087 X(2015)04-0822-03

2014-09-05

四川省教育廳重點項目（12ZA194）

任堰牛(1972—)，男，四川省人，碩士，講師，主要研究方向為控制工程和數字電子系統設計。