一种长寿命LED驱动电路设计方案
|
该方案以延长电路使用寿命为主题，以开关电源与线性电源相互结合为基础，扬长避短充分利用各自的优势，因为开关电源具有高效率的能量变换的特点而线性电源具有无输出纹波的特点，本设计方案充分利用其各自的优势来替代电解电容滤波，有效的解决了现有LED驱动电路存在寿命短的问题。这款LED驱动电路无大容量电解电容，小型电容可以采用长寿命的薄膜电容等容性元件，使其具有寿命长、效率高、纹波电流小特点，并且具有较高的安全性和稳定性。 1.前言 LED(发光二极管)为新一代的绿色照明光源，具有节能、环保、高亮度、长寿命等诸多优点。它不仅是照明光源的新宠，也与人们的生活戚戚相关。因此，研制长寿命的驱动电源，构建高效率、低成本、高功率因数和是LED灯发光品质和整体性能的关键，也是LED照明技术发展的需要。据不完全统计现有的白炽灯泡寿命比LED灯少约40倍。因为发光二级管不仅是直流电流驱动器件，也是光电转换器，有将光电转换的功能。它的作用主要是通过流动电流，将电能转变为光能，所以其优势是比一般的光源的节能效率和工作寿命都要高。但是，在LED驱动电源的整流电路和滤波电路中一般需要使用大容量的电解电容。电解电容器的寿命一般为l05℃/2000h,就是说当电容周围温度升高到105℃时其寿命只有84天，即使工作在温度为85℃的环境中，使用寿命也仅为332天，所以电解电容是阻碍LED驱动电路寿命的主要原因。为了提高驱动电源的寿命，有必要去掉电解电容，为此文中提出一种无电解电容的高亮度LED驱动电源。 2.LED驱动电路的工作原理 本设计方案电路的总体框图如图1所示：
电路拓扑采用反激式拓扑电路、利用PWM控制开关频率，使其输出恒定的电流和电压，驱动LED灯。主要包括：前级保护电路、EMI滤波电路、整流电路、RCD钳位电路、同步整流电路、功率转换电路、输出滤波电路、反馈电路、控制电路等。 为了使电路受电磁干扰较小，将EMI滤波电路接在前级保护电路后，通过它将电路中的高次谐波和电路中的浪涌滤除。 在输入整流部分上，分别由桥式整流电路及π型滤波电路构成，因为二极管具有单向导通的特性，所以桥式整流电路可以将交流电转换为单向的直流电，而后在π型滤波电路的作用下，输出稳定直流电压。 再由控制电路调节和控制使输出达到设计值，最后经过输出滤波电路，使输出波纹减小变成直流电，最后将直流电输出给LED使用。 3.LED驱动电路的具体设计 3.1 输入电路的设计 本设计电路的指标为：输入交流电压Vin:90-264 VAC/50-60Hz;输出电压Vo:27VDC;输出电流Io:0.68A. 如图2所示，输入电路包括安全保险装置、EMI噪声滤波装置、桥式整流电路和π型滤波电路。
如图2所示，为了减少在1MHz的频段内的电磁干扰，由电容C1、C2和电感L1、L2组成了EMI噪声滤波电路。安全保险装置由保险丝和ZNR组成，当有危害电路的尖峰电流产生的时候，保险丝会迅速切断电路以保护负载;ZNR是浪涌吸收器，当驱动电路的输入端出现静电和浪涌时它会变得阻抗很高，因此可以保护后面的电路。桥式整流滤波电路，它的作用是将交流电转换成直流电，其后的π型滤波器的作用滤除电路中电压与电流的波纹。 3.1.1 EMI滤波器的设计
EMI滤波电路图如图3所示，EMI滤波电路在整流桥前，由差模电容CX1和CX2,主要用于衰减差模干扰，其值一般较大。 为了减少差模干扰，所以在整流桥后添加由C1、C2和L1组成π型差模滤波器。 EMI滤波电路中的差模电容选用X安规电容，安全等级为X2,其耐压值2500V,其中CX1=0.47uF,CX2=0.01uF.共模电感LX1为7mH和LX2为1mH.整流桥后π型滤波电路的C1和C2滤波电容选用耐压450V的薄膜电容，其电容值为0.22uF;差模电感L1大小为1mH.
从图4中可以看出，当频率高过1KHZ时噪声信号会有明显的下降。可以看出该电路可以有效地降低高频干扰。 3.1.2 整流桥二极管的选择 整流桥二极管的电压应力为：
考虑裕量，选用H D 0 6 ( V R = 6 0 0 V,IFAN=0.8A)。 3.2 高频反激变压器的设计 3.2.1 变压器的参数的设计 (1)使用90Vac输入电压和9串负载做为最差工作条件来设计。
3.2.2 变压器的仿真
如图5所示，变压器工作在DCM条件下原边与副边的电路电流波形图。从图中可以看出原边电流Ipm与副边电流Ism的值总是在从0开始增加，变压器工作在此状态可以保证能量的基本完全传递。 3.3 输出电路的设计
如图6所示。输出电路由整流二极管D4,滤波电容C9,C10和稳压管D5组成。 3.3.1 输出整流二极管的选择输出整流二极管D4的选择标准：额定电压应大于1.5倍的输入电压，额定电流应当大于2倍的输出电流，反向恢复时间小于100ns.综上所述，D4选择为MB220,其参数为：200mA,100V,trr=50ns. 3.3.2 输出电容的选择 如图6所示，C9和C10是输出滤波电容，由于输出负载是LED串，根据LED的伏安特性，LED正向导通电压的较小的波动，都会导致LED导通电流较大的变动，因此要控制输出的纹波电压，而且在控制环节采用电流补偿和提高开关频率的技术，使得在不增大纹波电压的情况下适当的减小输出电容值，因此这里选用的是四个22nF/50V的电解电容并联。 3.3.3 稳压管的选择 如图6所示，D 5为输出电路中的稳压管，因为当开关关断的瞬间将会有反向电流流过IPD,这种反向电流将会导致器件损坏，所以应在输出电路中添加稳压管。使用的稳压管应达到指标：I D>2?Io=2×0.68=1.36A,UD>Uo=27V,反向恢复时间trr<100ns.考虑裕量，所以本设计采用的器件为MB220,其设计的参数为：2A/43V/50ns.,.
如图7 所示， 负载的电流波形图为i(p)，负载的输出电压波形图为out,从图中可以看出，输出电压稳定在27.8V,输出电流稳定在0.68A. 3.4 有源纹波补偿电路的设计 3.4.1 有源纹波补偿理论 因为现有的L C滤波电路无法完全滤除纹波，而且电容量小的电容滤波效果更差，所以传统的开关电源输出波纹大，若流过LED的电流纹波过大将不仅影响了LED的光效，而且影响LED的光衰，特别是电解电容由于它的使用寿命短，从而严重的缩短了开关电源和LED的使用寿命。因此，从研究小电容量入手、以输出纹波小、能量变换效率高为内容，以使用的安全性和长期性为目的，构建新型驱动电源，是十分重要的和必要的，是当前急需解决的问题，具有一定的科学性和可靠性。 文献[4]在总结主辅补偿电路的基础上，采用线性电源对电感纹波电流进行补偿的方法，其电路结构如图8所示。通过检测电阻R1的电压来检测电感纹波电流，放大器输出与电感纹波电流反向的补偿电流通过电阻R5将电感纹波电流补偿。该电路通过用电阻匹配来解决纹波电流补偿问题，容易实现;并且省去电解电容，使得电源的使用寿命能够延长。
3.4.2 有源纹波补偿电路的设计与仿真
如图9所示，有源纹波补偿电路由三极管，运算放大器A1,A2,和电感电流检测电阻组成。其原理是通过检测电感两端的电流，通过运算放大器A1和A2比较后控制三极管的开关实现电流的补偿。
如图10所示，图i(p)为电感输出电流，图i(e)为补偿电流，二者叠加后为输出到二极管的电流。从图中可以看出，经过补偿电路对LED电流的补偿可以有效地减小电流波纹。 4.结束语 目前LED驱动电路中，影响驱动电路整体寿命的主要因素是储能电容，所以本设 计采用线性电源抑制输出波纹，达到减小储能电容的电容量的目的，因此可以在不增加输出波纹的情况下采用寿命长的薄膜电容取代电解电容，从而提高LED驱动电路的整体寿命。从仿真结果来看，采用以有源纹波补偿后，电路运行稳定，各项指标满足要求，这说明此方法能够有效的提高了驱动电路的使用寿命。 |
