恒流LED驱动电源设计

恒流式LED电源的优化设计与应用

LED 由于环保、寿命长、光电效率高等众多优点，近年来在各行业的应用得以快速发展，LED 的驱动电源成了关注热点。理论上，LED 的使用寿命在10 万h 以上，但在实际应用过程中，由于驱动电源的设计及驱动方式选择不当，使LED 极易损坏。针对LED 照明的恒流式电源，首先阐述了LED 电源的基本工作原理，然后根据整体电路的基本架构，给出了整个的设计思路，主要介绍了电磁干扰(EMI)滤波器、有源功率因素校正(APFC) 电路以及散热设计。最后，介绍了LED 电源在生活中的应用以及今后设计需要解...

引言

当前我国正在创建资源节约型、环境友好型社会，人们对于城市环境的呼声日益高涨。据统计，全球照明耗能约占总用电量的20%，绿色照明是节省能源的重要途径，也是人类社会可持续发展的一项重要举措。近年来，随着LED 技术的发展，LED产品已正式应用在多项大型亮化工程中，例如北京奥运村、北京长安西街、西宁湟水河廊桥、上海大厦、上海高宝金融大厦、青岛鑫江华润酒店、陕西万邦时代广场、中国科技会堂、南京水游城、贵州铜仁瓦窑河大桥及武汉阳逻长江大桥等一大批重要工程。

LED 是电流控制元件，通过流过的电流，直接将电能转变为光能，故也称光电转换器。因其不存在摩擦损耗和机械损耗，所以在节能方面比一般的光源效率高，但是LED 光源并不能像一般的普通光源一样可以直接使用电网电压，它必须配置一个电压转换装置，提供满足其额定的电压、电流，才能正常使用，即LED 驱动电源。但是各种不同的LED电源其性能和转换效率各不相同，所以选择合适、高效的LED 驱动电源，才能真正体现LED 光源的高效特性。

1 LED 电源基本工作原理

采用隔离变压器、PFC(功率因素校正，PowerFactor Correction)控制实现开关电源，输出恒定的电流和电压，驱动LED 灯。电路的总体框图见图1。

对于主电路部分，LED 抗浪涌的能力比较差，特别是抗反向电压能力，加强这方面的保护很重要，LED 电源若用于路灯装在户外更要加强浪涌防护。由于电网负载的启动和雷击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌，有些浪涌会导致LED 的损坏。因此LED 驱动电源应具有抑制浪涌侵入，保护LED 不被损坏的能力。EMI 滤波电路主要防止电网上的谐波干扰串入模块，影响控制电路的正常工作。三相交流电经过全桥整流后变成脉动的直流在滤波电容和电感的作用下，输出直流电压。主开关DC/AC 电路将直流电转换为高频脉冲电压在变压器的次级输出。变压器输出的高频脉冲经过高频整流、LC (无源) 滤波和EMI 滤波，输出LED 路灯需要的直流电。PWM (脉宽调制) 控制电路采用电压电流双环控制，以实现对输出电压的调整和输出电流的限制。反馈网络采用恒流恒压器件和比较器。反馈信号通过光耦送

给PFC 器件(本文选用ST 公司的L6562A)。由于使用了PFC 器件，可以使模块的功率因数达到0.95以上[2]

控制电路根据在输出端进行的取样，通过与预先设定的基准电压进行比较实现对逆变部分的控制，进而改变开关管的输出占空比，实现稳定输出。另外，根据取样和检测电路，通过控制电路可实现对整机的各种保护。

2 LED 电源设计思路

2.1 恒流驱动方式的优势

LED 路灯是低电压、大电流的驱动器件，其发光的强度由流过LED 的电流决定。电流过强会引起LED 的衰减，电流过弱会影响LED 的发光强度。从理论上来说，理想的LED 驱动方式是采用恒压、恒流，但考虑驱动器的成本增加，因此采用恒流驱动方式是比较理想的LED 驱动方式。此LED 驱动方式能避免LED 正向电压的改而引起电流变动，同时恒定的电流使LED 的亮度稳定，可以保证大功率LED使用的安全性，达到理想的发光强度。

2.2 EMI 滤波器的设计

由于开关电源工作在通断状态，会有很多快速瞬变过程，它本身就是一种EMI 源，它产生的EMI信号有很宽的频率范围，又有一定的幅度。若把这种电源直接用于数字设备，则设备产生的EMI 信号会变得更加强烈和复杂。以下从开关电源的工作原理出发，探讨其传导干扰抑制的EMI 滤波器的设计。

EMI 滤波器是一种由电感和电容组成的低通滤波器，它能让低频的有用信号顺利通过，而对高频干扰有抑制作用。怎样才能抑制这些高频干扰信号呢?无非就是要在信号进入设备之前把它遏制。亦即，在输入电路部分对高频干扰形成所谓的阻抗失配。失配越厉害，实现的衰减越理想，得到的插入损耗特性就越好。即如果噪音源内阻是低阻抗的，则与之对接的EMI 滤波器的输入阻抗应该是高阻抗(如电感量很大的串联电感);如果噪音源内阻是高阻抗的，则EMI滤波器的输入阻抗应该是低阻抗(如容量很大的并联电容)。这个原则也是设计抑制开关电源EMI 滤波器必须遵循的[3]。

几乎所有设备的传导干扰都包含共模干扰和差模干扰，开关电源也不例外。共模干扰是由于载流导体与大地之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的;而差模干扰则是由于载流导体之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位反向的。通常，线路上干扰电压的这两种分量是同时存在的。由于线路阻抗的不平衡，两种分量在传输中会互相转变，情况十分复杂。

在实际使用中，由于设备所产生的杂讯中共模和差模的成分不同，所采用的滤波电路也有变化，可适当增加或减少滤波元件。具体电路的调整一般要经过EMI 试验后才能有满意的结果，此外安装滤波电路时一定要保证接地良好，并且输入端和输出端要良好隔离，否则起不到滤波的效果。

考虑到将交流电直接整流滤波后给开关电源供电时，由于PWM 直流- 直流变换将使交流电网侧功率因数恶化，对交流电网不利。造成常规开关电源功率因数低的根源是整流电路后的滤波电容使输入电流变为尖脉冲。如果整流电路后面不加滤波电路，仅为阻性负载时，输入电流即为正弦波，并与电源电压同相位，功率因数为1。功率因数校正技术的基本思想是将整流器与滤波电容隔开，使整流电路由容性负载变为阻性负载[4]。

人们经过努力研制了PFC 电路，该种电路将交流电压经全波整流和滤波得到的直流电压进行直流直流变换，并使输入电流平均值自动跟随全波整流的直流基准电流，且保持输出电压稳定，从而实现对PWM 直流变换器稳压输出和接近单位输入功率因数。目前的PFC 有两种，分别为被动式PFC(也称无源PFC) 和主动式PFC (也称有源式PFC)。被动式PFC 一般采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数;被动式PFC 包括静音式被动PFC 和非静音式被动PFC。被动式PFC 的功率因数只能达到0.7～0.8，它一般在高压滤波电容附近。而主动式PFC，也就是有源功率因素校正电路则由电感电容及电子元器件组成，体积小、通过专用元件或集成电路去调整电流的波形，对电流与电压间的相位差进行补偿。一般置于桥式整流器与滤波电容之间，实际上是一种DC-DC 变换器，主要有升压、降压、升压- 降压和回扫型4 种。其中升压型APFC 变换器在一定输出功率下可减小输出电流，因而可以减小输出滤波电容的容值和体积，同时电路的功率因素高、THD(总电流谐波畸变，Total Harmonic Distortion) 小、效率高、应用最为广泛。而APFC 可以达到较高的功率因数，通常可达0.98 以上，但成本也相对较高。此外，APFC 还可用作辅助电源，因此在使用APFC 电路中，往往不需要待机变压器，而且APFC输出直流电压的纹波很小，这种电源不必采用很大容量的滤波电容。本设计采用ST 公司推出的低成本经济型的有源功率因数校正控制器件L6562A，见图2[5]。