一種自激式LED調(diào)光線路的設(shè)計(jì)

1、一種自激式LED調(diào)光線路的設(shè)計(jì)林海濱作者簡介：林海濱（1986），男，福建泉州人，研究方向：電力電子技術(shù)、電源技術(shù)、LED驅(qū)動，Email：linhaibin896 上面的橫線同原來的基金項(xiàng)目的一樣（福建 廈門）摘要：基于振鈴扼流器（RCC，Ringing Choke Converter）技術(shù)設(shè)計(jì)了1款LED驅(qū)動電路，該電路自帶開路和短路保護(hù)功能。系統(tǒng)由整流濾波電路、續(xù)流電路、振蕩控制電路、高頻吸收電路、電壓反饋電路、輸出濾波電路、LED負(fù)載電路及調(diào)光電路等組成。振蕩控制電路是核心，其主要由變壓器、信號放大器及功率放大器、LC串聯(lián)諧振器、LC濾波器等組成；LED負(fù)載電路，由N個LED燈珠串聯(lián)或

2、者并聯(lián)組合而成，廣泛適用于LED燈和LED系統(tǒng)中。該驅(qū)動電路效率可達(dá)到90%。系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是元器件數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，易形成低成本方案。關(guān)鍵詞：LED；RCC；振蕩控制；調(diào)光；驅(qū)動；低成本中圖分類號請給出中圖分類號，查閱：TN751.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI： A kind of dimming circuit design for LED base on self-excitationLIN HaibinXiamen FujianAbstract: Based on Ringing Choke (RCC, Ringing Choke Converter) technology t

3、o design the 1 LED drive circuit, the circuit with open circuit and short circuit protection function. System by the rectifier filter circuit, stream, oscillation control circuit, high frequency absorption circuit, output voltage feedback circuit, filter circuit, LED load circuit and the dimming cir

4、cuit, etc. Oscillation control circuit is the core of the main transformer, amplifier and power amplifier, LC series resonator, LC filter, etc. Load circuit, LED by N LED lamp bead series or parallel combination, widely used in LED lights and LED in the system. The driver circuit efficiency can reac

5、h 90%. The most obvious feature of the system is less number of components, simple structure, convenient debugging, easy to form low cost solution.Key words: LED, RCC, vibration control, dimming, driver, low cost引言LED光源被譽(yù)為“第4代光源”，具有節(jié)能、環(huán)保、安全、壽命長、低功耗、低熱、高亮度、防水、微型、防震、易調(diào)光、光束集中、維護(hù)簡便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于各種指示、顯示、裝飾、

6、背光源、普通照明等領(lǐng)域。由于LED光源是半導(dǎo)體器件，其驅(qū)動電源通常需要低壓，所以，LED燈具都會帶有相應(yīng)的驅(qū)動器。這類驅(qū)動器往往使用開關(guān)電源（包括開關(guān)變壓器，振蕩電路，保護(hù)電路等），考慮到調(diào)光功能、精度和壽命等問題，有的甚至運(yùn)用到IC。這類電路的共性是線路復(fù)雜，成本較高，且不具空間優(yōu)勢，在需要內(nèi)置電源如球泡燈和蠟燭燈等中低功率LED燈和LED系統(tǒng)中難以推廣使用?；谡疋彾罅髌鳎≧CC）的驅(qū)動電路由于克服了現(xiàn)有IC的成本高、空間受限等缺點(diǎn)，因此基于RCC的驅(qū)動電路在中低功率的LED燈和LED系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。1 電路工作原理分析1.1 系統(tǒng)框圖總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由7部分組成。AC

7、輸入電壓范圍為102138 V，180265 V；頻率范圍為5060 Hz。圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖1.2 振蕩控制原理圖2示出了本設(shè)計(jì)的1種典型的降壓式（BUCK）拓?fù)涞拈_關(guān)電路，工作原理如下。圖2 RCC-BUCK電路原理圖上電后，輸入的交流電經(jīng)過橋堆BD1的整流后，在電容（包括C1、C2、C3）兩端成為直流電，這個直流電流經(jīng)LED負(fù)載LED1，流過R7、R8，然后流過電容器C4與R4串聯(lián)組成的網(wǎng)絡(luò)，再流經(jīng)輔助繞組T1-2到地。在這個過程中，對C4進(jìn)行充電，隨著C4的電壓上升，當(dāng)電源開關(guān)Q1的b點(diǎn)處的電壓達(dá)到0.7 V后，Q1導(dǎo)通，此時主功率電路（包括負(fù)載LED1、主繞組T1-1、電源開關(guān)Q

8、1、電阻R11/R12）開始工作，電流流經(jīng)LED1負(fù)載、T1-1、Q1、R11/R12到地，流過T1-1的電流會線性上升，此時在輔助繞組T1-2上產(chǎn)生感應(yīng)電流，流經(jīng)R4、C4，從而加速Q(mào)1的導(dǎo)通，當(dāng)流經(jīng)R11/R12的電流達(dá)到設(shè)定值（例如500 mA）時，此時由于Q1的b點(diǎn)電壓會達(dá)到0.7 V請問下為何c點(diǎn)電壓達(dá)到0.7V？，此時會有電流流向Q2、Q3和由電阻R2、R3、R5、R6、Rc組成的電壓補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)共同開通控制開關(guān)Q2、Q3，從而使Q2、Q3飽和導(dǎo)通，由于Q2、Q3飽和導(dǎo)通會把Q1的b點(diǎn)電壓拉低到0.4 V以下，從而使Q1關(guān)斷，這時流過主繞組T1-1的電流開始流向二極管D1、LED1負(fù)載

9、，即開始freewheeling有中文名字嗎？中文名字表述不夠準(zhǔn)確，形成1個新的回路，電流開始線性下降，此時T1-2上產(chǎn)生感應(yīng)負(fù)電壓，通過C4、R4加速Q(mào)1的關(guān)斷。同時由于二極管D3的嵌位作用，導(dǎo)致b點(diǎn)的電壓為-0.7 V，使得Q2、Q3也被關(guān)斷，當(dāng)流過T1-1的電流降到0時，此時T1-1和Q1的c，e點(diǎn)間的分布電容形成諧振，從而使流過主繞組T1-1的電流先反向流，再正向流，當(dāng)正向流過時，在輔助繞組T1-2感應(yīng)到的正電壓通過C4、R4再次使Q1導(dǎo)通；當(dāng)Q1導(dǎo)通后，會讓T1-2的感應(yīng)電壓加強(qiáng)，從而加速開通Q1，這時主功率電路（LED1、T1-1、Q1、R11/R12）再次開始工作，周而復(fù)始，以此

10、循環(huán)。1.3 恒流控制原理整個電路開啟時，三極管Q1的基極驅(qū)動電流初次由電阻R7、R8提供，隨后其基極驅(qū)動電流由T1-2通過C4和R4提供。三極管Q1的關(guān)斷由Q2、Q3來控制，低壓放大三極管Q2、Q3組成了達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，當(dāng)它導(dǎo)通時，會將三極管Q1的基極驅(qū)動電流釋放掉，使其關(guān)閉。因此控制Q1的導(dǎo)通時間是LED是否恒流的關(guān)鍵點(diǎn)。R5、R6、RC和Q2、Q3組成了溫度補(bǔ)償線路。RC為1種NTC熱敏電阻，當(dāng)圖中F點(diǎn)電壓大于VBE(Q2)+ VBE(Q3)(R6+RC+R5)/ (R6+RC)時，Q2、Q3組成的達(dá)林頓三極管導(dǎo)通，控制Q1關(guān)閉。當(dāng)環(huán)境溫度升高時，根據(jù)三極管特性，BE結(jié)正向電壓會降低，即VB

11、E(Q2)+VBE(Q3)會降低。而熱敏電阻RC阻值會減小，這樣就起到了溫度補(bǔ)償反饋的作用。使F點(diǎn)電壓在不同溫度時仍能保證在相同電壓值時使Q1關(guān)斷。直接的結(jié)果就是不同的環(huán)境溫度下，Q1仍能保持基本相同的導(dǎo)通時間。減小了溫度對LED電流的影響。T1-2和R3在電路中是起到對電源電壓反饋的作用，例如當(dāng)電源電壓升高時，Q1導(dǎo)通時，T1-2電壓會升高，通過R3使F點(diǎn)是F點(diǎn)嗎，請修改電壓提高。從而能使三極管Q1適當(dāng)提前關(guān)斷，來減小LED電流受電源電壓的影響。電阻R11/R12通過檢測三極管Q1射極電流，把電流在R11/R12上產(chǎn)生的電壓值通過R3反饋到F點(diǎn)，來控制Q1關(guān)斷，達(dá)到恒流的效果。1.4 調(diào)光原

12、理AC信號經(jīng)全橋整流電路全波整流后，每隔半個周期都有1段接近零點(diǎn)的區(qū)域，該低壓區(qū)域往往導(dǎo)致用于LED開關(guān)及亮度調(diào)節(jié)的可控硅調(diào)光器內(nèi)置導(dǎo)通電流不足，引起調(diào)光器關(guān)閉或打嗝，從而影響LED燈的調(diào)光性能。在信號輸入電路與RCC振蕩控制電路之間設(shè)有續(xù)流電路，為線路提供維持電流，防止LED燈在低壓區(qū)域段發(fā)生閃爍，從而改善調(diào)光效果。1.5 DC-DC變換器選型采用BUCK電路（如圖2），當(dāng)輸入端的電壓小于LED的輸出電壓時，整個線路就會停止工作。因此，可以使LED調(diào)得更暗，調(diào)光效果更好。采用BUCK電路，不管是輸出線圈T1-1處于儲能或者是釋能的情況下，LED負(fù)載輸出總是有電流存在，因此電源的利用率就更高。

13、但是，在普通BUCK架構(gòu)下，只有當(dāng)輸入電壓大于輸入電容電壓時二極管才導(dǎo)通，這就限制了波形失真的改善空間，即便加入了有源功率因數(shù)校正（APFC）改善了功率因數(shù)（PF），也沒辦法有效地改善諧波失真（THD）。而BUCK_BOOST本身是DC/DC變換器，正好可以巧妙地利用這點(diǎn)。THD變差的根本原因是AC端電壓和電流的同步變差，我們可以用BUCK_BOOST電路（如圖3），來改善AC端電壓和電流的同步性，從而改善THD。因此，對電源效率、調(diào)光要求較高的場所，我們首選BUCK架構(gòu)；而在對效率要求不是很明顯，而對諧波失真度有要求的場合，宜優(yōu)先考慮BUCK_BOOST架構(gòu)。圖3 RCC-BUCK_BOOS

14、T電路原理圖1.6 開路保護(hù)原理BUCK電路（圖2），可利用二極管D4（選用普通的1N4007即可）的單向?qū)ㄌ匦?，起到?fù)載開路保護(hù)作用。當(dāng)LED開路時（空載或LED燈珠損壞），D4就處于反向截止?fàn)顟B(tài)，從而使R7、R8沒有啟動電流流過，電路無法啟動，起到開路保護(hù)的作用 1。BUCK_BOOST電路（圖3），穩(wěn)壓管ZD1、可控硅Q4、二極管D2、次級線圈T1-2共同組成開路保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。開路保護(hù)電路的工作過程為，當(dāng)LED1兩端開路（如LED燈珠損壞等）時，變壓器初級繞組線圈兩端的電壓不斷升高，初級繞組的K2端為正，K1端為負(fù)，此時次級繞組的K4端為正，K3端為負(fù)，直至穩(wěn)壓管ZD1反向?qū)?，給可控硅的

15、門極提供了正向電壓，可控硅導(dǎo)通，給開關(guān)管Q1、達(dá)林頓管Q2、Q3提供了反向偏置電壓，導(dǎo)致開關(guān)管Q1、達(dá)林頓管Q2、Q3處于關(guān)閉狀態(tài)，促使線路停止工作，使該線路處于保護(hù)狀態(tài)，重新接通LED負(fù)載后（如換上新的LED燈珠等），電路可恢復(fù)正常工作。1.7 短路保護(hù)原理在BUCK電路中，一旦出現(xiàn)短路，A點(diǎn)電壓近似等于母線電壓，相當(dāng)于母線電壓全部加載在變壓器T1的初級繞組T1-1，變壓器的次級繞組T1-2很快獲得非常大的感應(yīng)電壓V2=V1/n（n為變壓器匝比），F(xiàn)點(diǎn)電壓瞬間大于VBE(Q2)+VBE(Q3)(R6+RC+R5)/(R6+RC)時，Q2、Q3組成的達(dá)林頓三極管隨即導(dǎo)通，從而開關(guān)管Q1基極只有

16、微弱電流Ib，不足以使開關(guān)管Q1導(dǎo)通，起到保護(hù)的作用。對于BUCK_BOOST電路，當(dāng)LED燈珠短路時,由于二極管D1的嵌位，E點(diǎn)電壓比D點(diǎn)電壓大0.7 V，變壓器T1的次級繞組T1-2，獲得1個上負(fù)下正的感應(yīng)電壓，使得開關(guān)管Q1基極只有微弱電流Ib，不足以使開關(guān)管Q1導(dǎo)通，起到保護(hù)的作用。2 理論分析與參數(shù)計(jì)算2.1 變壓器的設(shè)計(jì)RCC電路的計(jì)算包括功率主電路和控制電路的計(jì)算。下面結(jié)合實(shí)際調(diào)試電路來說明變壓器的計(jì)算方法。2.1.1 BUCK電路變壓器計(jì)算主要技術(shù)參數(shù)：輸入電壓：Vin(AC)=120 V10%，輸入頻率：fin(AC)=60 Hz；輸出電壓：Vo=42 V，輸出電流：Io=2

17、10 mA；輸出二極管電壓：VD1=1.1 V；恒流精度：5%；工作效率：88%。欲設(shè)計(jì)1款額定功率為10 W的LED燈。計(jì)算出變壓器的感量及匝比。利用公式如下。（1） （2） （3）（4）聯(lián)立等式（1）（2）（3）（4）得 （5）從公式（5）可以看出，系統(tǒng)的工作頻率與系統(tǒng)的輸入電壓Vin，負(fù)載LED的正向壓降Vo，以及電感的感量L相關(guān)。系統(tǒng)輸入電壓Vin越高，電路的工作頻率越高。為了兼顧 EMI 和效率，電路的工作頻率范圍一般設(shè)置在3080 kHz之間，所以應(yīng)在系統(tǒng)最低輸入電壓下，選擇合適的變壓器初級感量，使系統(tǒng)頻率滿足設(shè)計(jì)的要求。設(shè)計(jì)中按最低輸入電壓、最大輸出電流計(jì)算，此時振蕩頻率最低，取

18、為f=50 kHz。最低輸入直流電壓：將已設(shè)定的技術(shù)參數(shù)代入公式（5），得變壓器的初級感量為Lpri=1.18 mH。結(jié)合三極管的特性，三極管有1個反向擊穿電壓，大概為912 V，因此，輔助繞組的電壓一般選在810 V左右。因此，選擇匝數(shù)比n=17。綜上，我們可先根據(jù)計(jì)算值選取初級感量為1.2 mH、匝數(shù)比n=17（135:8），線徑=0.21 mm的變壓器，再根據(jù)整燈的實(shí)際情況要求進(jìn)行參數(shù)微調(diào)。2.1.2 BUCK-BOOST電路變壓器計(jì)算主要技術(shù)參數(shù)：輸入電壓：Vin(AC)=230 V10%，輸入頻率：fin(AC)=50 Hz；輸出電壓：Vo=108 V，輸出電流：Io=125 mA；

19、輸出二極管電壓：VD1=1.1 V；恒流精度：5%；工作效率：88%。欲設(shè)計(jì)1款額定功率為15 W的LED燈。計(jì)算出變壓器的感量及匝比。利用公式如下。 （6） （7） （8） （9）聯(lián)立等式（6）（7）（8）（9）得 （10）從公式（10）可以看出，系統(tǒng)的工作頻率與系統(tǒng)的輸入電壓Vin，負(fù)載LED的正向壓降Vo，以及電感的感量L相關(guān)。系統(tǒng)輸入電壓Vin越高，電路的工作頻率越高。為了兼顧 EMI 和效率，電路的工作頻率范圍一般設(shè)置在30120 kHz之間，所以應(yīng)在系統(tǒng)最低輸入電壓下，選擇合適的變壓器初級感量，使系統(tǒng)頻率滿足設(shè)計(jì)的要求。設(shè)計(jì)中按最低輸入電壓、最大輸出電流計(jì)算，此時振蕩頻率最低，取為

20、f=70 kHz。最低輸入直流電壓：將已設(shè)定的技術(shù)參數(shù)代入公式（10），得變壓器的初級感量：=3.65 mH。結(jié)合三極管的特性，三極管有1個反向擊穿電壓，大概為912 V，因此，輔助繞組的電壓一般選在810 V左右。因此，選擇匝數(shù)比n=32。綜上，我們可先根據(jù)計(jì)算值選取初級感量為3.6 mH、匝數(shù)比n=32（135:4），線徑=0.21 mm的變壓器，再根據(jù)整燈的實(shí)際情況要求進(jìn)行參數(shù)微調(diào)。2.2 輸出濾波電解電容的計(jì)算濾波電解電容實(shí)際上不是從紋波電壓出發(fā)求取，而是根據(jù)它的允許紋波電流值決定的，用這種方法可以進(jìn)行切實(shí)有效的設(shè)計(jì)，紋波電流求取方法如下（以BUCK電路為例）。知：輸入電壓：Vin(AC)=120 V10%，輸入頻率：fin(AC)=60 Hz；輸出電壓：Vo=42 V，輸出電流：Io=210 mA；輸出二極管電壓：VD1=1.1 V；開關(guān)頻率：f=50 kHz；工作效率：88%；基本保證壽命Lb=8 000 h（查規(guī)格書）；最高工作溫度Tmax=105；電容的表面溫度Tc=90（實(shí)測）；頻率系數(shù)F=1（經(jīng)驗(yàn)值）；電容內(nèi)部溫度提升與表面溫度提升之比率=1.1（視電解電容直徑而定）；最大工作溫度時，恒定系數(shù)C=0.571（查規(guī)格書）；在加上最大