LED路燈開關(guān)電源設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方案

1、LED路燈開關(guān)電源設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方案 LED路燈是低電壓、大電流的驅(qū)動器件，其發(fā)光的強(qiáng)度由流過 LED的電流決定,電流過強(qiáng)會引起LED的衰減,電流過弱會影響LED的發(fā)光 強(qiáng)度，因此LED的驅(qū)動需要提供恒流電源，以保證大功率LED使用的安全性，同時達(dá)到理想的發(fā)光強(qiáng)度。 用市電驅(qū)動大功率LED需要解決 降壓、隔離、PFC（功率因素校正）和恒流問題，還需有比較高的轉(zhuǎn)換效率,有較小的體積，能長時間工作,易散熱，低成本，抗電磁干擾，和過溫、 過流、短路、開路保護(hù)等。本文設(shè)計(jì)的 PFC開關(guān)電源性能良好、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且效率高 ，在LED路燈使用過程中取得滿意的效果。 1基本工作原理 采用隔離變壓器、PFC控制實(shí)

2、現(xiàn)的開關(guān)電源，輸出恒壓恒流的電壓，驅(qū)動LED路燈。電路的總體框圖如圖1所示。 圖I模塊丁作原理圖 icmade. com I LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。加強(qiáng)這方面的保護(hù)也很重要。LED路燈裝在戶外更要加強(qiáng)浪涌防護(hù)。由于電網(wǎng)負(fù) 載的啟甩和雷擊的感應(yīng)，從電網(wǎng)系統(tǒng)會侵入各種浪涌 ，有些浪涌會導(dǎo)致LED的損壞。因此LED驅(qū)動電源應(yīng)具有抑制浪涌侵入 ，保護(hù)LED不 被損壞的能力。EMI濾波電路主要防止電網(wǎng)上的諧波干擾串入模塊，影響控制電路的正常工作。 三相交流電經(jīng)過全橋整流后變成脈動的直流在濾波電容和電感的作用下，輸出直流電壓。主開關(guān) DC/AC電路將直流電轉(zhuǎn)換為高頻脈沖電 壓

3、在變壓器的次級輸出。變壓器輸出的高頻脈沖經(jīng)過高頻整流、LC濾波和EMI濾波，輸出LED路燈需要的直流電源。 PWM控制電路采用電壓電流雙環(huán)控制 ，以實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)整和輸出電流的限制。反饋網(wǎng)絡(luò)采用恒流恒壓器件TSM101和比較器，反 饋信號通過光耦送給 PFC器L6561。由于使用了 PFC器件使模塊的功率因數(shù)達(dá)到 0.95。 2 DC/DC 變換器 DC/DC變換器的類型有多種，為了保證用電安全，本設(shè)計(jì)方案選為隔離式。隔離式 DC/DC變換形式又可進(jìn)一步細(xì)分為正激式、反激式、 半橋式、全橋式和推挽式等。其中 ，半橋式、全橋式和推挽式通常用于大功率輸出場合，其激勵電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來較困難；而

4、正激式和反激 式電路則簡單易行，但由于反激式比正激式更適應(yīng)輸入電壓有變化的情況，且本電源系統(tǒng)中PFC輸出電壓會發(fā)生較大的變化，故DC/DC變 換采用反激方式，有利于確保輸出電壓穩(wěn)定不變。 反激式開關(guān)電源主要應(yīng)用于輸出功率為 5150 W的情況。這種電源結(jié)構(gòu)是由 Buck-Boost 結(jié)構(gòu)推演并加上隔離變壓器而得到，如圖2 所示。在反激式拓?fù)渲?，由變壓器作為儲能元件。開關(guān)管導(dǎo)通時 ，變壓器儲存能量，負(fù)載電流由輸出濾波電容提供 ;開關(guān)管關(guān)斷時，變壓器將 儲存的能量傳送到負(fù)載和輸出濾波電容，以補(bǔ)償電容單獨(dú)提供負(fù)載電流時消耗的能量。 1_i j *i a Ci MM 1 c- |Q If com LS

5、 圖2 高頻DC/DC變換原理圖icmade- com 圖中T1為高頻隔離變壓器，VQ1為CMOS功率三極管17N80C3,VD7 和VD8是瞬變抑制二極管，VD6為快恢復(fù)二極管，VD5為雙二極 管,C3、C4、C5和C6為電解電容器。Ubout是來自整流橋的脈動直流信號 ,GD是來自功率因數(shù)校正電路的控制信號。變壓器的引線 I 和2組成一個繞組,給PFC器件提供工作電源，引線11和12組成一個繞組，為恒流恒壓器件和比較器提供工作電源。 3反饋網(wǎng)絡(luò)電路 3.1恒流恒壓電路 本設(shè)計(jì)使用恒流恒壓控制器件TSM101調(diào)節(jié)輸出電壓和電流，使之穩(wěn)定。電路如圖 3所示。通過TSM101的控制作用，保證了電

6、源恒流 (CC)和恒壓(CV)工作。圖3中,Uout+和Uout-是隔離變壓器經(jīng)過雙二極管和電解電容器濾波的電壓，再經(jīng)電感L4和電容濾波后的輸出 為Uout+和Uout-,為本電源模塊的輸出電壓,直接加在LED路燈上?？烧{(diào)電阻器 RV1和RV2分別調(diào)節(jié)輸出電壓和電流的大小。R10 和R11為22 mQ 的電阻，分別對電源輸出的電壓和電流采樣。TMS101的輸出TOUT通過光電耦合器、可控硅和三極管等電路送到 L6561的引腳5,通過反饋電路實(shí)現(xiàn)恒流控制。器件引腳8接輔助電源，引腳4接變壓器T1副邊地。 .1 cout + Cui t Oil T + fl? 骯 TSM1O1 R n尹t CSB

7、N J Q 1 2 3 4 rout- VREF CSEN CRREF GND 再 vcc VR1N OUTPUT CR1N S. 7 6 FI3怕流恒壓電路 Tri If T icmade- com 3.2比較器電路 采用比較器LM258,電路如圖4所示 ROUTo V)2 乙 A1! fin LNI258 /?( 圖 4 比較器 liLcmade. com 輸出端的采樣電阻兩端的電壓信號VR+和VR-送到比較器LM258,通過與預(yù)設(shè)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生電壓反饋信號 DOUT。VF為變壓器 T1副邊繞組產(chǎn)生的輔助電源。 4 PFC 電路 本設(shè)計(jì)采用最常見的有源功率因數(shù)校正的控制器件L6561

8、。PFC電路工作原理如圖5 所示 61)0 * T1 n閥 pvl TOUT /?nj HZZHCZHZZDn R1S /?20R27 1 二 4 1 ZD4 2N7OO2 L6561I 1NV VCC OOMP GD MU.LT GSD CS ZCD 亠0加) ?L 圖5 PI C電路 L6561的引腳8為電源輸入端，由變壓器T1的副邊繞組提供;引腳7為驅(qū)動信號輸出引腳，直接驅(qū)動MOS管VQ1;引腳6為參考地，該引 腳和主回路的地連在一起；引腳5為過零檢測引腳，用于確定何時導(dǎo)通 MOS管。變壓器T1的引腳1和引腳2組成的繞組,通過電阻將電 感電流過零信號傳輸至該器件的引腳5,同時比較器LM2

9、58產(chǎn)生的信號DOUT通過光耦、三極管、可控硅等傳輸至器件的引腳5,以檢測 輸出電流。引腳4為MOS管電流采用引腳，器件將該引腳檢測到的信號與器件內(nèi)部產(chǎn)生的電感電流信號相比較，來確定何時關(guān)斷 MOS管。 圖2中電阻R4作為電流檢測電阻，采樣MOS管電流，該電阻一端接于系統(tǒng)地，另一端同時在 MOS管的源極和器件的引腳 4。引腳3為器 件內(nèi)部乘法器的一個輸入端，該引腳與整流橋電路輸出電壓相連，確定輸入電壓的波形與相位，用以生成器件內(nèi)部的電感電流參考信號。圖 5中，Ubout經(jīng)3只電阻分壓后傳送到引腳3。引腳2為內(nèi)部乘法器的另一個輸入端，同時為電壓誤差放大器的輸出端，引腳1為系統(tǒng)反饋 電壓的輸入端。

10、恒流恒壓器件的輸出 TOUT通過光耦將電壓反饋傳送到器件的引腳1,形成輸出電壓的負(fù)反饋回路。電阻R28和電容C18 連接于器件的引腳1和引腳2之間，用于形成電壓環(huán)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。 5測試結(jié)果 電源模塊電裝完后，加上負(fù)載，用示波器對關(guān)鍵點(diǎn)測試，圖6(a)為整流橋的輸出電壓 Ubrout+,圖6(b)為Ubrout+流過電感后的電壓 Ubout+的波形，圖6(c)為雙二極管的輸出電壓 Ucout+的波形。 A 時間Zns (a)整流橋的輸出波彤 時間加 (h)如心的波彫 圖6測試輸出波形 6結(jié)論 采用有源PFC功能電路設(shè)計(jì)的室外 LED路燈電源，內(nèi)置完整的EMC電路和高效防雷電路，符合安規(guī)和電磁兼容的

11、要求。 采用電壓環(huán)反饋, 限壓恒流，效率高，恒流準(zhǔn)，范圍寬，實(shí)現(xiàn)了寬輸入,穩(wěn)壓恒流輸出，避免了 LED正向電壓的改變而引起電流變動 ，同時恒定的電流使 LED的亮 度穩(wěn)定。整機(jī)元件較少，電路簡單。功率為 90 W，功率因數(shù)達(dá)0.95。根據(jù)用戶需求可在恒流輸出中增加 LED溫度負(fù)反饋，防止LED溫度 過高。 大功率LED驅(qū)動電源設(shè)計(jì)方案 摘要：介紹了大功率 LED的特性，分析了市場上常見的驅(qū)動電源，研究了在路燈照明領(lǐng)域應(yīng)用中為能更好地發(fā)揮大功率LED的優(yōu)點(diǎn)， 驅(qū)動電源必須滿足大電流輸出，以達(dá)到理想的發(fā)光強(qiáng)度，保證LED使用壽命。實(shí)驗(yàn)表明，采用恒流加溫度補(bǔ)償方式驅(qū)動LED的設(shè)計(jì)方 案可行。 大功率

12、LED的驅(qū)動需要直流低電壓、大電流，所以傳統(tǒng)電源并不適合直接驅(qū)動它，因此普通的降壓、 穩(wěn)壓電源必須進(jìn)行必要的改進(jìn)。 筆者特為工作電壓為 3.4 V、工作電流為350 mA 的大功率LED設(shè)計(jì)一驅(qū)動電源。根據(jù)大功率 LED的工作特性，分析市場上常見的驅(qū) 動電源，研究了在路燈照明領(lǐng)域的應(yīng)用， 為了能更好地發(fā)揮大功率 LED的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動電源必須滿足大電流輸出，且需要顧及散熱、 過壓、過流、過溫保護(hù)等多個因素。本方案設(shè)計(jì)的驅(qū)動電源采用散熱基板方式，既能很好地解決散熱問題， 采用并聯(lián)齊納管的方式來 對過壓、過流進(jìn)行保護(hù)， 采用具有溫度補(bǔ)償電路來保護(hù)出現(xiàn)過溫現(xiàn)象，從而解決了上述幾方面問題。| 1大功率LE

13、D的光控電路 由圖1可知，220 V 交流電經(jīng)電容限流、橋式整流、濾波、穩(wěn)壓，在A， B兩端獲得穩(wěn)定的12 V直流電（見圖1 ）。在白天 由于光敏電阻RG受到自然光的照射呈現(xiàn)低電阻， 三極管VT的基極電位低， 而被反偏置， 因此VT截止，單向可控硅 VS門極為 低電平被關(guān)斷，LED驅(qū)動電路未啟動， 所以LED不亮。到天黑時光敏電阻RG因無光照呈現(xiàn)高電阻， VT導(dǎo)通，VS的門極即有正 向觸發(fā)電壓而導(dǎo)通， LED驅(qū)動電路啟動， LED通電發(fā)光。 22(1 V Icz=zJ- 470 k 05 IN押17X4 laokQ 圖1 LED的光控電路 2大功率LED的驅(qū)動電源 驅(qū)動大功率LED的主要目標(biāo)是

14、產(chǎn)生正向電流通過器件, 比較理想的白光LED可采用MBI1802 芯片來實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動，它能抑制 大功率LED正向電壓改變而造成的電流波動，可實(shí)現(xiàn)可控的正向電流，保證提供可控的顯示亮度。 一由圖2可知， 通過穩(wěn)壓二極管（D6 ）可為MB1802 芯片提供穩(wěn)定的驅(qū)動電壓，此時通過大功率LED的電流主要由參考電壓值 和MBI1802 芯片工作電壓來決定 （見圖2）。絕大多數(shù)顯示器都需要多個LED，若設(shè)計(jì)人員靈活地驅(qū)動多個LED，應(yīng)將所有LED串 聯(lián)，確保每顆LED的電流都相同。 2憤流驅(qū)動電路 同時，在每個LED兩端并聯(lián)一個齊納管，能為LED提供開路保護(hù)。若要以并聯(lián)方式驅(qū)動白光LED，每個白光LED

15、都必須串 聯(lián)一個鎮(zhèn)流電阻，為避免通過其電流出現(xiàn)差異，這些電阻也會消耗功率，降低電路效率，所以采用串聯(lián)方式可驅(qū)動多個 LED 3 LED電源的溫度補(bǔ)償及調(diào)光電路 由于LED的驅(qū)動電流設(shè)計(jì)為不隨溫度變化的恒流源，當(dāng)LED周圍溫度低于安全溫度點(diǎn)時，輸出最高容許電流并保持不變；當(dāng) LED周圍溫度高于安全溫度點(diǎn)時，工作電流就不在安全區(qū)內(nèi)，這將導(dǎo)致LED的性能遠(yuǎn)低于標(biāo)稱數(shù)值。如果 LED周圍溫度過高則是 由LED自身發(fā)熱導(dǎo)致，所以為了確保LED的性能、壽命不受影響，必須通過電路的溫度補(bǔ)償功能來解決這一問題。 PBn( Tft J pbKti AINU) PBU AINt) PIM(SS) PHS ( MO

16、ST 卩術(shù) MISO) PB7(SCK) PW(RXD) PDI(TXl) PD2(!NT0) PD4(OC1B) PL)S(UCIA) PD6(ICP) PDT( TOSC2 i RESET GND Cl (ATMEGA16 DlPJii 40 (ADCI )PAI (ADC2)PA2 (ADO)PA3 (ADC* )PA4 (ADCS) PAS (AfCT)PA7 PC) PCI PC2 PC3 PCI 卩芒 I心J K和丁OS AREF AGND -AVCC .13 FT 4vFT 4vF 嘰I).D 畫 1 M J 1HII. 由圖3可知， 采用AVR單片機(jī)及MBI1802 芯片的工作

17、電壓為 5 V ,通過MBI1802 的一個外部電阻器Rext，可以調(diào)節(jié)輸出 電流的范圍為40360 mA，在特定的光照下，只要不超過LED的額定電流，可隨意輸出電流，這樣用戶可以靈活的控制 LED的 光強(qiáng)度。同時，MBI1802 芯片的第七腳連接AVR單片機(jī)，根據(jù)溫度傳感器18B20所測到溫度和檢測到的光敏電阻RG的阻值，AVR 單片機(jī)通過輸出PWM波到MBI1802 來控制其輸出電流，實(shí)現(xiàn)LED的溫度補(bǔ)償，同時可以精確調(diào)節(jié) LED亮度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)LED的 調(diào)光功能。 4恒流效果實(shí)驗(yàn) 如果LED的驅(qū)動未采用恒流源驅(qū)動方式，那么PN結(jié)半導(dǎo)體器件在正向?qū)ê螅Y(jié)電壓VF隨環(huán)境溫度上升而下降，即-2 mV/ J 稱PN結(jié)的負(fù)溫度效應(yīng)，該特性直接影響它的發(fā)光效率、 發(fā)光亮度、發(fā)光色度。例如當(dāng)常溫30 C時，選擇LED最佳工作電流為135 mA，當(dāng)環(huán)境溫度升到90 C,結(jié)電壓VF下降，工作電流急劇增加到 265282 mA ;當(dāng)溫度下降至-40 C時，結(jié)電壓VF上升，最 佳工作電流將從135 mA 減小到27 mA ，發(fā)光亮度也隨電流的減少而降低，達(dá)不到所需的照度， 如圖4中電流曲線I。 通過實(shí)驗(yàn)，利用Excel軟件的圖表功能