新型高效LED驱动电源

2021-07-21毛书凡陈壮韩旭

电气传动 2021年14期

毛书凡，陈壮，韩旭

（天津理工大学工程训练中心，天津 300384）

近年来LED照明的普及以其节能环保、安全可靠、寿命长等优点发展迅速，正在逐步替代传统光源而成为市场上的主导产品。驱动电源是LED灯的重要组成部分，如今LED的电光转换技术取得了很大的进步，电能消耗仅为白炽灯的1/8，虽然LED照明产品具有使用寿命长的特点，但是LED驱动电源具有效率低、寿命短的缺陷，一直是困扰技术研发人员的难题。目前大部分的小功率可调直流电源模块仍依赖于国外降压稳压器芯片[1]。

针对无电解电容LED驱动电源输入输出功率的不平衡，国内外学者提出的驱动方案主要包括以下3种：谐波调制法；脉动电流驱动LED法；增加辅助储能元件法[2]。

因电源中的主要关键器件电解电容在温度75℃时，电容量会因为电解液蒸发而造成使用寿命下降，只为半导体器件持续工作平均寿命的1/5，使得整个LED驱动系统的工作周期受到严重影响[3]。故驱动电源内部的电路器件限制了LED的能效和寿命，消除电解电容是使LED照明系统与发光二极管寿命相匹配的关键[4]。市场中LED照明均采用恒流驱动和阻容降压2种电路，其中恒流驱动依据所选的开关功率器件又分为线性恒流和开关恒流。调光电路或无或复杂，而阻容式降压虽具有结构简单、成本低的优点，但功率因数偏低，在驱动较高功率LED灯具时尤为明显，满足不了LED照明市场的需求。

本文提出的新型高效LED照明灯驱动电源具有结构简单、成本低廉、体积小、功率因数高、电能转换效率高、寿命长等优点，摒弃了损耗占比较多的变压器和电感器件，是替代现有恒流驱动电源和阻容式驱动的一种技术方案。文章详细分析该驱动电路的工作原理，并通过样机测试验证了该方案的正确性。

1 电路设计基础

1.1 电容的降压及稳压

电容在一定频率的交流信号下会产生容抗，基于这一特性可以限制电路的最大工作电流，这也就是电容降压的工作原理。如果视降压电容为一个理想电容，那么流过的无功电流不消耗任何有功，所产生的功耗完全取决于这个与电容串联的阻性元件[5]。根据负载的电流大小和交流电的工作频率可以选取适当的电容，既能实现电容器限流，又可以动态分配电容器容量，起到控制调节负载两端电压的作用[6]。

电容稳压电路是利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑，理想情况下的波形如图1所示，经过电容稳压电路之后实际的输出波形如图2所示。

图1 理想情况下的波形Fig.1 Ideal waveform

图2 经过电容稳压电路之后实际的输出波形Fig.2 Actual output waveform after capacitor voltage stabilizing circuit

为了获得较好的滤波效果，在实际电路中，选择的滤波电容容量满足下式：

式中：RL为负载电阻；C为滤波电容；RLC为放电回路的时间常数；T为周期。

放电回路的时间常数越大，其滤波效果越好，其整流后输出的直流电波形越平滑[7]。当电源电压高于负载（电容）两端电压时，电源向电容充电，使负载两端电压保持不变；当电源电压低于负载两端电压时，电容向负载放电；最终使负载两端电压保持稳定。

1.2 线性输出

图3为电路线性稳压原理图。

图3 电路线性稳压原理图Fig.3 Schematic diagram of circuit linear voltage stabilizing

图3电路中，开关管控制驱动电路由输出电路、采样回路和开关控制模块组成，也是此驱动电源电路的核心部分。220 V交流电经整流电路后，形成脉动直流电，由C1和C2串联对负载进行分配供电。当交流电压低于等于额定启动负载输出直流电压时，控制开关电路提供驱动电压Vi，适配的C1端电压将直接供给负载至额定输出。当输入交流电压高于额定输出直流电压时，经采样回路控制开关电路，使工作阻抗高于C2容抗，实现C1和C2串联并降低负载电压额定输出，以此反复采样的查询工作，实现负载电压的线性稳定输出，参考下2式：

式中：XC为容抗；U1为C1端电压；U为整流电路输出电压；C1为负载电容；C2为可调节电容。

该线性稳压电源采用电容器件，不仅具有稳压功能，而且具有滤波的特点，因此输出性较理想，不会对电网产生影响。

2 电路分析

2.1 电路组成及功能

该电路主要包含3个功能电路，如图4所示。

图4 电路原理框图Fig.4 Circuit schematic frame diagram

滤波降压整流模块：采用电阻、无极性电容和整流器组成的降压整流电路，依据负载需求选择合适压降进行初次降压，再经过整流，使得220 V交流电转换成脉动的直流电。关于整流桥的选择，整流二极管的最大电压应力等于电路输入电压的最大值[8]，参考下式：

式中：Udmax为整流二极管的最大电压；Uin为电路输入电压。

该模块电路可以将降压整流后输出电压中干扰的波纹大部分滤除。

2）分流采样控制模块：此部分也是该电源设计的重点，通过对输出电压的采样，来控制开关管对电容的充放电，从而稳定输出电压。

3）稳压线性输出模块：根据稳压管在一定的范围内，电压几乎不随电流的变化而变化这一特点，调节与稳压管串联的CMOS管来控制开关管[9]，从而控制电容充放电，其频率的变化改变了串联容抗值，进而实现了对电容压降的控制。

2.2 电路结构分析

依据图4，对电路工作的流程加以分析。

市电220 V/50 Hz接入电路后，经由滤波电容、限流电阻和降压电容器组成滤波降压电路，由交换电路中的整流桥整流成脉动直流电，交换电路分流后，一部分经稳压电路中的隔离二极管、充电二极管和第2只限流电阻对第1只电容器和第2只电容器进行串联充电；另一部分流经分流电路，当交流输入电压低于输出直流电压时，分流电路中的电容对外电路进行放电，这时采样限流模块导通，通过对稳压电路的分流降低了输出电压，从而降低了由于外界电压变化而对输出电压带来的影响。其特性表现为：利用其线性跟随特性，使输出电流随输入信号的变化而线性缓慢变化；当交流输入电压高于输出直流电压时，分流电路中的电容随即对稳压电路中的电容进行充电，负载输出电压便得到了有效的补偿，从而稳定了输出电压。

在电路设计中，由于未使用变压器、电解电容等元器件，所以该LED驱动电源电路，在能耗、可靠性方面均显现出其独特的设计优势。

2.3 电路原理分析

本节对本文提出的新型高效LED照明灯驱动电源的电路原理进行分析。

图5为电路原理图。

图5 电路原理图Fig.5 Circuit schematic diagram

2.3.1 降压与限流

如图5所示，电容C2的作用为降压与限流。利用电容通交流、隔直流的特性，在适配LED的功率时，可参考流过降压电路电流的计算公式：I=U/XC。在220 V/50 Hz交流电路中，电流与电容关系近似为：I≈69C。与C2并联的电阻R4为泄放电阻，电容大小关系到泄放电阻值，电容的容量越大，残存电荷量就越大，泄放电阻的阻值相对减小，二者参考数据见表1。

表1 不同降压电容所对应的泄放电阻值Tab.1 Discharge resistance corresponding to different step-down capacitors

2.3.2 线性稳压

如图5所示，当市电电压瞬时变化并造成输出的直流电压低于设计值时，此时整流桥输出端电压减小，隔离二极管D3的负极电压为正，驱动光耦二极管导通，根据其导通的强度，可以控制光耦输出端Q1电流的大小，进而控制开关管Q2导电沟道的宽度，从而线性控制电容C4通过放电二极管D1和限流电阻对电容C1充电；当隔离二极管D3电压低于光耦二极管驱动电压值时，其控制的光耦输出端Q1无法提供开关管Q2的开启电压，Q2关闭，电容C1两端电压为负载输出电压；基于光耦电路对开关管Q2开启宽度的线性变化及降压电容器产生的容抗限制了流过负载LED灯组的电流，进而实现了在输入交流电压变化的特定区间，电压的变化与输出功率呈线性关系。

利用该设计电路对输出端电流的线性控制，对输出端提供了有效稳定的电压。此外，光耦输出端Q1的电流通过电阻R6，并在稳压管D5作用下保持稳定压降，可精确控制Q2导电沟道的宽度，降低电流在电路中的损耗。因市电输入电压增高，造成输出直流电压高于设计值时，整流桥输出端电压增大，隔离二极管D3的负极电压为负。此时电容C1通过限流二极管D2，经D1放电，形成通路；而串联的电容C1，C4，通过限流二极管D2、隔离二极管D3同时分流组成另一通路，并对电容C4、电容C5充电储能，稳压管D5获得反向压降，以此来保护开关管Q2的控制电压不超过导通电压。基于电路中循环工作的电流，被充分利用的创新模式，使电能的利用率得以提高。

2.3.3 能量存储与释放

如图 5所示，电容C4、电阻R6、电容 C5和稳压管D5组成电路的主要功能如下：1）当外界电压瞬时降低时，一方面，电容C4通过二极管D1、电阻R1为电容C1充电；另一方面，电容C4释放电流经R6通过对光耦Q1的控制，提高Q2开关宽度。根据电容C4释放电流的正弦变化规律，电容C4两端电压的增长速率将逐渐减缓直至停止。2）当外界电压瞬时升高时，整流桥输出端对串联的电容C1，C4充电，电容C4两端的电压升高。3）当C4两端的电压升高至D5的管压降时，C4的电压便不再升高，此时电容C4通过稳压管D5保持稳定电压。4）R2为保护电阻，用于交流电路断开时释放存储在降压电容器C4，C5中的电荷，防止交流电接通时，电源电压与降压电容器C4，C5存储的电压叠加造成电路内其他电子元件的损坏。

3 实验结果和对比

3.1 驱动电源参数测试及分析

表2为相同功率下，本文提出的高效LED驱动电源与其它2种主流驱动电源的输出参数对比表；表3为本文提出的高效LED驱动电源与其他品牌相同功率驱动电源的主要性能对比表。由表2和表3可以看出，与常用的阻容降压式驱动电源和恒流式驱动电源相比，该LED电源在效率方面优点较为突出，在相同功率时，高效LED驱动电源的亮度有明显的提升。