LED景觀燈的恒流驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

劉丹妮 李星雨

摘要：LED具有無(wú)污染、長(zhǎng)壽命、耐振動(dòng)和抗沖擊的鮮明特點(diǎn)。雖然白光LED的發(fā)光效率正在逐步提高，但是與LED燈配套的驅(qū)動(dòng)器性能不佳，故障率高成了LED推廣應(yīng)用的瓶頸。本文主要通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)恒流驅(qū)動(dòng)電源來(lái)驅(qū)動(dòng)LED，通過(guò)各種電力電子組件和電力電子電路組成一個(gè)恒流的電源，達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。該研究針對(duì)LED燈應(yīng)用于景觀燈照明的需求及其驅(qū)動(dòng)電源現(xiàn)狀，完成了一款三路恒流輸出的LED驅(qū)動(dòng)電源的研究與硬件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：LED，電源，驅(qū)動(dòng)

1前言

LED（Lighting Emitting Diode）即發(fā)光二極管，它是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件。在20世紀(jì)愛(ài)迪生發(fā)明的白熾燈成為標(biāo)準(zhǔn)的通用照明工具。但是在21世紀(jì)的今天白熾燈即將和我們告別了，新的照明技術(shù)發(fā)光二極管將最終代替白熾燈和熒光燈。由于LED的特點(diǎn)，目前越來(lái)越廣的應(yīng)用在景觀亮化領(lǐng)域。由于應(yīng)用場(chǎng)合不同，所要求的尺寸、大小、亮度不同，因此LED的排列組合方式就不同，再考慮到對(duì)燈具外殼的大小、形狀要求不同，因此出現(xiàn)了諸如LED工礦燈、LED投光燈、LED路燈、LED射燈、LED隧道燈等一系列的產(chǎn)品，無(wú)論是在工程照明領(lǐng)域，市政公共照明、景觀、綠地等領(lǐng)域，還是在辦公場(chǎng)所、家用照明場(chǎng)合LED照明燈也得到了廣泛的使用[1]。

2開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

2.1開(kāi)關(guān)電源基本原理

開(kāi)關(guān)電源按控制原理來(lái)分類(lèi)，有以下4種工作方式：

脈沖寬度調(diào)制（簡(jiǎn)稱(chēng)PWM，即脈寬調(diào)制）式：其特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)周期為恒定值，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度來(lái)改變占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。

脈沖頻率調(diào)制（簡(jiǎn)稱(chēng)PFM，即脈頻調(diào)制）式：其特點(diǎn)是占空比為恒定值，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。

脈沖密度調(diào)制（簡(jiǎn)稱(chēng)PDM，即脈密調(diào)制）式：其特點(diǎn)是脈沖寬度為恒定值，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖數(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。它采用零電壓技術(shù)，能顯著降低功率開(kāi)關(guān)管的損耗。

混合調(diào)制式：它是兩種方式的組合，開(kāi)關(guān)周期和脈沖寬度都不固定，均為調(diào)節(jié)。它包含了PWM控制器和PFM控制器[2]。

2.2開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)LED的開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本有降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。該驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)關(guān)管VT在電感后面，使得開(kāi)關(guān)管源極接地，而續(xù)流二極管VD反并聯(lián)到該串聯(lián)電路。這種驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單、不需要輸出濾波電容，降低了成本。

采用升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的LED驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)電感儲(chǔ)能將輸出電壓泵升至比輸入電壓更高的期望值，實(shí)現(xiàn)在低輸入電壓下對(duì)LED驅(qū)動(dòng)。輸入電流是連續(xù)的，這減輕了對(duì)電源的電磁干擾，開(kāi)關(guān)晶體管發(fā)射極接地.使驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。

反激式開(kāi)關(guān)電源的典型電路。反激式開(kāi)關(guān)電源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元件數(shù)少，體積小，因此成本較低。在用恒壓電源控制芯片實(shí)現(xiàn)恒流功能的LED恒流驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有一定的優(yōu)勢(shì)。

3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1功率因數(shù)校正電路硬件設(shè)計(jì)

在功率變換裝置中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，其功率開(kāi)關(guān)器件一般采用直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)兩種方式。采用Boost-PFC方案作為系統(tǒng)的前級(jí)完成功率因數(shù)校正任務(wù)，并采用控制芯片控制其工作在電流CRM模式。

電源電壓經(jīng)全波整流電路整流后，得到直流脈動(dòng)電壓作為Boost電路的輸入電壓，再經(jīng)高頻濾波電容濾掉電流中的高頻諧波分量后，得到一直流電壓，再經(jīng)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分壓，得到合適的電壓輸入到功率因數(shù)校正器芯片L6562的MULT引腳上，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓的采樣，得到一個(gè)基準(zhǔn)的正弦波電壓，即確定輸入電壓的波形和相位[3]。

3.2功率及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電源是為各個(gè)控制芯片提供能量的，是硬件控制系統(tǒng)正常工作的前提。由于線(xiàn)性電源具有輸出精度高、輸出紋波小和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，所以在數(shù)字電源設(shè)計(jì)中采用了線(xiàn)性穩(wěn)壓模塊L7805，它輸出的+5V電壓是作為數(shù)字電源用的。在每個(gè)芯片的電源輸入與輸出端都并上一個(gè)10-100電解或擔(dān)電容和一個(gè)0.10瓷片電容，起著去噪的作用，一方面為芯片存儲(chǔ)電量，另一方面消除線(xiàn)路上分布電阻與電感引起的高頻噪聲。

4整體電路的設(shè)計(jì)及分析

基于前述的理論分析與參數(shù)計(jì)算，并在設(shè)計(jì)的硬件電路的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步驗(yàn)證LED驅(qū)動(dòng)電源的可行性能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，繪制了恒流驅(qū)動(dòng)電路的PCB。

4.1整體電路原理圖設(shè)計(jì)

根據(jù)上文所述，整體電路可分為EMI濾波電路，輸入整流濾波電路，變壓器電路，PWM電路，輸出整流濾波電路，整體電路圖如圖4-1所示。

4.2整體電路PCB的設(shè)計(jì)

在任何開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，PCB板的物理設(shè)計(jì)都是最后一個(gè)環(huán)節(jié)，如果設(shè)計(jì)方法不當(dāng)，PCB可能會(huì)輻射過(guò)多的電磁干擾，造成電源工作不穩(wěn)定。根據(jù)電路的功能單元，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局時(shí)，要符合以下原則：

①首先要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過(guò)大時(shí)，印制線(xiàn)條長(zhǎng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加;過(guò)小則散熱不好，且鄰近線(xiàn)條易受干擾。電路板的最佳形狀矩形，長(zhǎng)寬比為3：2或4：3，位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2mm。

以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來(lái)進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線(xiàn)和連接，去耦電容盡量靠近器件的VCC。

②在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列。

③按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號(hào)流通，并使信號(hào)盡可能保持一致的方向。

④盡可能地減小環(huán)路面積，以抑制開(kāi)關(guān)電源的輻射干擾。

5總結(jié)

本論文主要論述本設(shè)計(jì)的硬件部分，并結(jié)合軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。使得本硬件設(shè)計(jì)的到很好的簡(jiǎn)化，同時(shí)也提高了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的抗干擾性能。本文設(shè)計(jì)LED可控硅調(diào)光驅(qū)動(dòng)電源使用PWM調(diào)控式集成的電源控制芯片，實(shí)際測(cè)試恒流效果好，輸出電流穩(wěn)定在150mA（輸入電壓調(diào)整率小于0.5%），體積小，成本低。同時(shí)通過(guò)空載電壓的調(diào)整有效的避免了LED燈的跳閃現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

[1]劉雨蘭.基于高低壓控制的無(wú)阻高頻脈沖電源的設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2020，38（11）：13-15.

[2]牟麗霞.一種新型LED智能應(yīng)急燈電源設(shè)計(jì)[J].電子世界，2018（14）：144 -145.

[3]侯云如.一種升壓型DC-DC恒流LED驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)[D].電子科技大學(xué)，2020.