一种基于电压斩波和电流软启动CCR LED电源设计

一种基于电压斩波和电流软启动CCR LED电源设计
任堰牛;黄梓瑜;李杰;杜航行
【摘要】The constant current regulator (CCR) is general y 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.%恒流调节器(CCR)常用于中小功率家用LED照明驱动电源中，但是这类常见的电路在交流电压波动时可能出现电源效率和LED电流不稳定的现象。

论述了这类驱动电路的工作原理，分析了问题产生的原因，提出一种基于电压斩波和电流软启动CCR LED电源的方案，理论分析和实验数据都表明这种改进方案非常有效地解决了前述问题。

【期刊名称】《电源技术》
【年(卷),期】2015(000)004
【总页数】3页(P822-824)
【关键词】LED驱动器;CCR;电源效率;电压斩波;电流软启动
【作者】任堰牛;黄梓瑜;李杰;杜航行
【作者单位】西南石油大学电气信息学院，四川成都610500;西南石油大学电气信息学院，四川成都610500;西南石油大学电气信息学院，四川成都610500;西南石油大学电气信息学院，四川成都610500
【正文语种】中文
【中图分类】TM922
常见的LED照明的驱动电源包括开关恒流驱动和线性恒流驱动两种方案。

前者属于开关电源，能效较高，另一方面，在开关切换作用下，电路中的变压器或电感的工作电流必然周期变化，从而感应出电磁波，甚至出现电磁干扰的问题。

线性驱动方案无需电感之类的线圈元件，可避免电磁兼容方面的问题。

这类电源常采用恒流调节器(CCR)来保持恒定的LED工作电流，输出功率一般不大，然而其输出功率可能会随着交流供电电压的随机改变而变化，引起LED照明亮度变化，如果交流供电改变幅度较大，这种线性电源的效率也呈现较明显的变化。

本文对这类问题的原因进行分析并提出一种基于电压斩波的CCR驱动方案，可在更宽的交流供电范围内稳定工作。

1.1 工作原理
恒流调节器CCR在正常工作电压下提供恒定的电流，如图1所示电路中的1可近似为20 mA的恒流源，驱动着额定工作电压120 V的LED灯珠串照明。

在图1中，当开关S1置于“A”触点且S2断开时，形成了一种简单的准恒流驱动方案[1-2]，为方便讨论称其为方案A。

R1和C1_A起着阻容交流降压作用，交流通过桥堆整流，在稳压二极管D5两端形成不超过130 V的脉动直流电压，为CCR和LED灯串提供直流工作电压。

在一个整流周期中，有一段时间内D5的端电压会保持恒定的130 V，流过CCR和LED灯串的电流可保持稳定，而在其它时间内D5端电压并非恒定不变，其值小于120 V越多，流过LED灯串的电流也会小于20
mA越多，甚至出现近乎0 mA的微电流。

这种脉动的LED工作电流是一种准恒
流驱动方式，并未充分发挥LED高亮度的性能。

解决上述问题的一个简单有效措施就是在稳压二极管D5两端并入一个电容，如图1所示，S2闭合且S1置于“B”触点时，形成另一种方案B。

由于电容C2有储
存电荷或电压的作用，使其端电压都在126～130 V之间小幅变化(交流供电不低
于215 Vrms时)，通过CCR的恒流作用，LED工作电流可保持恒定。

1.2 问题分析
一般C1_A和C1_B的参数选择应兼顾较宽交流工作电压、较稳定的输出功率(LED 电功率)和较高的电源效率三方面，但是交流供电在180～220 Vrms变化时，上
述两种方案的电源效率和输出功率都呈现一定程度变化，如表1所示。

当交流电
压升高时，流过稳压二极管的电流和其消耗的功耗不容小觑，电源整体效率下降较明显。

如果以220 V时的实验参数为基准，定义输出功变化率为 (输出功率～输出功率220V)/输出功率220 V，其大小可间接反映LED亮度的变化程度，就实验数据而言，当交流供电低于220 Vrms时，方案A和B的输出功变化率都有不同程
度的负向变化。

交流供电高于220 Vrms时，方案A的输出功变化率为正向变化，而方案B保持不变。

总之当交流供电电压随机变化时，两种方案的电源效率和LED亮度都可能改变。

假设去掉在方案B中的稳压二极管后，无论交流供电如何变化，设法能使电容C2的端电压保持在120 V以上小幅变化，通过前面的问题分析，可知电源的效率和
输出功变化率都能较好地保持稳定。

一个行之有效的解决方法就是在桥堆滤波后加入电压斩波[3]，如图2所示，这种改进电路与原型电路[4]相比，不会出现电源效率随交流供电电压变化而明显波动的问题，并且由于加入电流软启动的保护措施使得电路工作更加稳定。

其实电路中的CCR专用集成芯片U1可以用更常见的三端
稳压芯片和一个电阻构成的恒流电路来代替的[5]。

2.1 工作原理
在图2所示电路中，当全桥整流的输出电压从零逐渐增大到使得三极管Q1从关断变为导通而使场效应管Q2从导通变为关断时的电压值称为斩波阈值电压TH。

全
桥整流的输出电压和斩波阈值电压的大小关系决定了开关器件Q1、Q2、D5以及
D6的工作状态，如表2所示。

电路中R1、R2和R3的分压作用使得D5和Q1
在通断之间转换，D6的稳压作用可保护Q2的栅极。

上电后的电路有两个重要工作阶段：
(1)软启动阶段
在电灯开关闭合时刻，如果全桥整流的输出电压高于TH时，Q1导通而Q2关断，那么流过电路所有元件的电流都非常微弱。

如果电灯开关闭合瞬间而全桥整流的输出电压低于TH时候，尤其是比较接近TH时，Q1关断而Q2导通，同时电容C1的端电压不能突变的作用，Q3是关断的，由于电阻R7的限流作用，在理论上此
时流过场效应管Q2和电容C2的电流约为全桥整流的输出电压与7的比值。

无论电灯开关在何时闭合，之后C2端电压都会上升接近TH，电容C1的端电压也会
逐渐上升，使得Q3导通，7不再限流也几乎无功耗，C1端电压最终在稳压二极
管D7的作用下稳定下来。

可以设想，如果没有这种保护措施，场效应管Q2的极低导通电阻所起的限流作用非常小，开关闭合时过大的瞬时冲击电流可能对元器件尤其是电容C2和场效应管Q2产生损坏的隐患。

(2)恒流阶段
当全桥整流的输出电压上升到TH的过程中，Q2处于导通状态，C2将充电至TH。

当全桥整流的输出电压超过TH时，Q2处于关断状态，电容C2将通过CCR向LED放电，维持LED的工作电流，直到新的充电周期到来。

在此阶段电路进入动
态平衡状态，如图3所示，C2端电压C2在最大值TH和最小值L之间的快慢变
化显示出快充慢放的特点。

电阻0的端电压R0几乎是一条水平线，可反映出LED
电流非常稳定。

即使交流供电在100～260 Vrms范围内变化，两个端电压波形改变微乎其微，可见合理设计TH和L是电路维持恒流和较高效率的关键之一。

2.2 重要参数的设计
交流电压在较宽范围内变动时，为维持恒定的LED工作电流以及较高较稳的电源
效率，需要遵循两个原则：(1)TH不要超过LED工作电压过多；(2)斩波器的电阻
既能对TH进行合适的分压来通断Q1和Q2，其自身功耗又足够小。

在这两个原
则下，设计重要的参数。

2.2.1 TH和L
即使C2端电压下降至L时，也能维持LED的20 mA工作电流，则要满足下式：式(1)中：F是保证恒流的最小CCR端电压，典型值为3.5 V；LED表示LED工作电压，典型值120 V，带入式(1)后，可得L≥123.5 V。

观察图3，可知C2的放电时间远大于充电时间，也即C2端电压从TH下降到L
经历的时间近乎于交流的半周期10 ms，而且期间的放电电流几乎全部供与LED
恒流工作，可计算TH约为：
由式(1)得到的结果，可计算出TH≥123.5 V+10×20/22 V= 132.6 V。

TH的设计值不能过大，否则CCR端电压升高导致其耗散增加，电源效率就降低，所以从能效和余量两方面考虑，TH可取135 V。

2.2.2 斩波器的电阻
为方便讨论，以电阻4为例，估算其在最大交流电压260 Vrms供电情况下的功耗。

假设R4端电压一直是交流电压峰值1.414×260 V=367 V，此时其功耗为(367 V)2/(3.3 MΩ)= 41 mW。

但是在任意一个交流周期内的大多数时候，R4端电压实际上都小于峰值电压367 V，故R4的实际功耗小于41 mW，与输出到LED功率120 V×20 mA=2.4 W相比可忽略不计。

当全桥整流的输出电压上升至TH时，D5导通，Q1刚好进入饱和状态，而Q2关断。

此刻Q1的基极电流b略
微大于集电极电流c的β分之一，即：
在这里Q1的β典型值为40。

如果流过电阻1的电流是b的数百倍，此时b就可忽略，可以认为1、2和3串
联分压使得D5和Q1导通，则以下两个算式成立。

在式(3)中取等号，可最小化流过1的电流，尽可能降低电阻的功耗。

由式(3)，式(4)可计算出669 kΩ，为方便电路调试，可进一步令1=649 kΩ，2= 649 kΩ，
3=20 kΩ，调整3可获得合适的斩波阈值电压TH。

1、2、3和其余电阻的功耗估计方法各不相同，也比较简单，这里就不再赘述，
总之可估算出电路所有电阻的功耗总和不到输入总功率的5%。

2.3 实验数据
在交流供电变化时，图2所示的CCR LED驱动电源的效率和输出功变化率的实验数据如表3所示，输出功变化率同样也是以220 V时的实验参数为基准。

从表3
中的实验数据可见电源效率维持在83%～87%，而恒定输出功率表明LED灯的亮度也是非常稳定的。

2.4 实验分析
图1和图2所示的电路有存在超过36 V的电压，做实验时除注意一般的用电安全外，还需满足以下措施：(1)必须用隔离变压器将连接初级的市电和次级输出的交
流隔离开来后，才能用已接地的示波器来测量波形；(2)断开交流电后，不能立刻
直接触摸电路。

可用万用表测量并确保各电容的端电压已经安全后，方可接触电路。

对于图2所示电路，可持续按下键Button，加快电容C2放电，发光二极管D8
由亮变暗直至熄灭，表明C2的端电压已经进入安全范围内；(3)图1所示的两种
不同实验方案切换时，必须先断开交流电，待各电容端电压都为安全值后，才可切换开关S1和S2到相应位置，再进行实验。

从理论分析和实验数据可知这种基于电压斩波的CCR LED驱动电源能在很宽的交
流电压100～260 Vrms范围的内工作，以恒定的电流驱动LED灯串稳定地照明，具有较稳定的电源效率。

我们提出的设计方法可拓展应用于LED灯串总驱动电流20～100 mA和LED工作电压60～200 V的室内照明，虽然交流工作电压范围会有所不同，但是同样具备前述的优点。

【相关文献】
[1]虞秋波，朱佳南，陈尚智，等.低电流线性LED驱动器设计方案[J].灯与照明，2013,37(2)：46-47.
[2]钱金川.新颖恒流稳流器LED驱动方案应用[J].中国电子商情(基础电子)，2012(3)：47-48.
[3]任堰牛.用于LED照明的非开关电源驱动电路的分析[J].电源技术，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.。