分段線性驅動HV-LED燈具的照度變化特征

孫富康

(1.安徽建筑大學, 安徽 合肥 230022; 2.教育部建筑能效控制與評估工程研究中心, 安徽 合肥 230022; 3.建筑節能安徽省工程技術研究中心, 安徽 合肥 230022)

引言

分段線性驅動(segmented linear drive)是一種發光二極管電源技術[1]，是線性電源技術的一種拓展。基于分段線性驅動的高壓發光二極管(HV-LED)可以直接由交流電驅動，無需由變壓器、電感、電解電容等組成的電源轉換電路，電源驅動電路設計簡單，功率因素高(PF>0.95)，低諧波失真(THD<10%)，燈具的壽命更長。

2012年Dayal等[1]提出一種基于MOSFETs的交流直驅LED燈具方案，電源效率達到82%，總諧波失真為9%。之后，在分段線性驅動芯片的設計領域，張建剛[2]提出了一種具有過溫保護、過壓保護、模擬調光、PWM調光功能的分段線性驅動電路設計方案；Ning等[3]基于0.25 μm BCDMOS工藝設計實現了5段線性高壓恒流LED驅動芯片，燈具功率因素達到0.997以上，總諧波失真為7.2%；詹建新[4]、張冠軍[5]分別基于1 μm SPDM 5 V 40 V 700 V BCD工藝設計實現分段式高壓恒流LED驅動芯片；陳旺[6]基于0.35 μm線寬700 V高壓BCD工藝設計實現了線性高壓恒流LED驅動芯片，驅動效率達到95%，燈具的功率因素達到0.85以上；勵勇遠等[7]基于0.8 μm 5 V/40 V HVCMOS工藝設計實現了3段線性高壓恒流LED驅動芯片，燈具的功率因素達到0.974，電源效率達到93.4%；Noge等[8, 9]提出了一種基于MOSFETs的多段線性驅動方案，燈具功率因素達到0.99以上，總諧波失真僅為2.1%。尹勇生等[10]和徐福彬等[11]分別基于CSMC 0.8 μm 700 V BCD工藝設計實現了4段和6段線性高壓恒流LED驅動芯片。此外，文獻[12-15]也分別對分段線性驅動技術的電路應用及優化進行了研究。

筆者針對分段線性恒流驅動HV-LED燈具的照度變化，將提出9種特征參數，用于表征燈具照度變化的特征。

1 分段線性驅動原理

在分段線性驅動電路中，LED燈串被劃分成多個子燈串，子燈串之間串聯連接，驅動器通過控制開關元件(Sn)將LED燈串(Strn)分段點亮，如圖1所示。工作周期中，驅動器通過采集、識別輸入交流電源的上升和下降過程中的電壓值(Vinput)；隨著輸入交流電源電壓值的變化，在交流電壓的上升過程中，電路中的被控LED燈串被開關元件依次點亮；在下降過程中，電路中的被控LED燈串被開關元件依次關閉，從而實現LED燈串的整體控制過程。

圖1 分段線性驅動電路原理圖Fig.1 Schematic of segmented linear drive

2 特征表征

Emax=max(E)

(1)

(2)

Emin=min(E)

(3)

(4)

其中m、l分別表示單個周期和單個周期內第p段周期的照度采樣個數。

(5)

3)邊界特征。邊界特征(S)即光照度波動曲線的邊長，表示為單個周期內相鄰照度之間的集合距離之和，即

(6)

Δt=ti+1-ti

(7)

(8)

(9)

(10)

其中k表示單個周期內的最大段數，0

3 實驗研究

3.1 實驗方案

實驗樣品燈具為一款8 W高壓發光二極管光源模組，該光源采用四段式線性恒流驅動方案，驅動芯片為BY-V7H04，如圖2所示；圖中A、B兩路燈串分別可以負載4個燈串，Str1、Str2、Str3、Str4分別代表A路中的4個燈串。實驗采用杭州遠方生產的LFA-2000型光源頻閃測試儀搭建燈具照度曲線檢測平臺，獲取燈具光照度的變化數據。實驗主要研究A路中4個燈串的照度變化特征。

圖2 實驗樣品Fig.2 Experiment sample

3.2 數據采集

通過實驗采集一個周期(T=10 ms)的照度數據(單位：klx)，采樣頻率為1 kHz，單位采樣時間間隔Δt為0.1 ms，照度表示為一個數組X，即

X={0, 0, 0, 0.046, 0.365, 1.416, 2.603, 3.79, 4.247, 4.384, 4.384, 4.429, 5.708, 5.708, 7.078, 8.539, 9.133, 9.407, 9.407, 9.407, 9.681, 10.5, 12.69, 14.01, 14.01, 15.38, 15.38, 15.52, 15.52, 15.52, 15.93, 16.62, 17.35, 18.08, 18.81, 19.45, 20.04, 20.77, 20.77, 21.78, 21.87, 21.87, 21.91, 21.91, 21.91, 21.87, 21.91, 21.87, 21.87, 21.87, 21.87, 21.87, 21.87, 21.82, 21.87, 21.87, 21.87, 21.87, 21.87, 21.87, 21.87, 21.82, 21.32, 20.09, 18.72, 17.39, 16.25, 15.75, 15.75, 15.52, 15.52, 15.52, 15.48, 15.48, 15.16, 13.06, 13.06, 12.01, 9.909, 9.909, 9.59, 9.453, 9.453, 8.859, 6.302, 6.302, 5.297, 4.703, 4.521, 4.429, 4.429, 3.47, 0.685, 0.685, 0.228, 0, 0, 0, 0}。

3.3 特征分析

2)梯度特征。根據式(5)計算相鄰照度值之間的梯度數值，并繪制為曲線，如圖3所示。在分段驅動中，“段—段”交界之處具有顯著的梯度特征；照度上升過程中梯度值大于0，照度下降過程中梯度值小于0，段內梯度值會出現一定范圍內的波動。

圖3 梯度特征示意圖Fig.3 Schematic diagram of gradient characteristics

3)邊界特征。根據式(6)計算照度變化曲線的邊長為S=48.90，其中Δt為0.1 ms。

圖4 時域特征示意圖Fig.4 Schematic diagram of time-domain characteristics

4 結論

由于特殊的驅動控制方法，分段線性驅動方案中，HV-LED燈具的照度呈階梯狀周期變化，利用這一特征可以判別燈具中LED燈串的開關狀態。本文從燈具照度的幅值、梯度、邊界和時間四個方面提出9種指標，用于深入表征燈具照度變化的特征，并給出了各指標的計算方法。同時，該指標可作為特征值用于分析LED燈具的發光性能，進一步可以診斷LED燈具的故障。