一种基于电压斩波和电流软启动CCR LED电源设计

2015-08-01任堰牛黄梓瑜杜航行

电源技术 2015年4期

关键词：恒流端电压电源

任堰牛，黄梓瑜，李杰，杜航行

(西南石油大学电气信息学院，四川成都610500)

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

(西南石油大学电气信息学院，四川成都610500)

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。

LED驱动器；CCR；电源效率；电压斩波；电流软启动

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 常见的CCR LED驱动电源

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。

图1 常见CCR LED驱动电路

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。

表1 图1所示驱动电源的效率和输出功变化率

2 基于电压斩波的CCR LED驱动电源

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]。

图2 基于电压斩波的CCR LED驱动电路

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。

表2 开关器件的状态

上电后的电路有两个重要工作阶段：

(1)软启动阶段

(2)恒流阶段

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。

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：

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：

图3 电容C2和电阻R0的端电压波形

2.2.2 斩波器的电阻

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。

表3 图2所示驱动电源的效率和输出功变化率

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。

3 结论

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。

[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.

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

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