LED具有高效、长寿命、低功耗、安全等优点,已被广泛应用于城市景观装饰、交通车站和商业广告等公众设施.近年来,随着单晶单管LED的输出功率、发光效率以及高功率封装技术的不断发展,使LED作为一般照明具有广泛的应用前景.
然而,LED的输出光流明数和波长同pN结的温度以及电流密切相关.常规的驱动电路,如电容降压电路和开关稳压电路,将引起LED的提前老化,不能有效满足LED照明驱动的要求.因此,本文从分析LED灯珠的驱动特性出发,结合LED的驱动特性提出一种自适应照明驱动电路.针对100颗规格为φ10的高亮白光LED阵列(功率约为25W)进行了具体设计.实验测试结果证明该驱动电路性能良好.
1LED驱动特性
LED作为半导体冷光光源,它同白炽灯、卤素灯、汞灯具有明显不同的驱动特性.
1.1电参数特性
电流-电压特性是LED的基本物理特性,它同一般pN结类似,具有死区电压.当输出电压超过死区电压后,随着电流的新增,pN结电压变动不大.pN结标称工作电流的大小取决于LED规格,如5-高亮白光LED,标称值为20mA,10标称值为80mA,而1W的LED标称值电流为360mA.另外,pN结的压降大小除了与pN结电流和温度有关外,它还取决于制造材料特性.比如:当pN结温度为25o,电流为20mA时,5-高亮白光pN结电压约3.1V,而5-高亮黄光LED的pN结电压约2V.
1.2光学特性
电流-光通量特性是LED作为照明设计的重要指标.LED输出光通量的大小同pN结的电流大小有关,在规定电流范围,输出光通量同电流成正相关.不同的制造封装厂家生产的相同规格的LED,它们的电流-光通量具有较大的差别.在20mA条件下对几个不同厂家封装的子弹头5-高亮白光LED样品的光通量进行测试,发现其光通量分别为4lm、3.54lm、3lm、2.5lm,有较大差别(说明:本测试数据以厂家供应的样品为测试对象);另外,在电流不变的情况下,随着工作时间的新增,光通量均有所降低.
1.3温度特性
光谱特性是LED光源显色指数和色温的重要依据.实验测试发现,在pN结电流不变条件下,随着pN结温度的升高,LED光源发出的波长将向长波方向移动.
根据LED驱动特性的分析可见:
(1)不同的LED所需的工作电压、驱动电流不同;
(2)驱动电流不变的情况下,随着工作时间的新增,光通量有所降低;
(3)驱动电流不变的情况下,随着温度的升高光通量降低.而LED作为一般照明必须保证其输出光强对时间和温度具有相对稳定性.因此,必须设计具有自适应功能的LED驱动电路,以供应适当的工作电压、驱动电流,并使其对工作温度等外部条件变化引起的出光特性变化作出自适应调整,以达到最佳的照明效果.
2具体LED驱动电路设计
结合LED驱动特性,以功率约为25W的办公室照明灯组驱动电源的设计为实例.其中,使用100颗φ10-LED,采用LED阵列联接形式,即:20颗灯珠串联,然后5串并联.
针对以上设计对象特性,本文提出了基于开关电源的LED自适应驱动方法.其总体框图如图1所示.
市电(50Hz,90V～264V)经过50Hz整流后,送入由高频变压器初级绕组和开关管组成的主回路,经高频变压、整流得到所需的输出.利用sa7527可以设计出周边电路简洁、低浪涌电流、高功率因素、低成本的LED驱动电源.该电源重要包括以下几个特性:(1)宽电压输入范围;(2)恒流/恒压特性;(3)自动光衰补偿功能.
2.1sa7527主控芯片
该结构的主控制芯片采用8脚封装的sa7527[5].sa7527是一块功能强大的芯片,它除了通用的pWM控制芯片的功能外,还供应了内置R/C滤波器、启动按时器、过电压保护、零电流检测、乘法器、内部带隙基准以及特殊防击穿电路等功能,内部框图如图2.
2.2高频变压器设计
根据开关电源高频变压器的基本理论:输出功率25W,开关频率取30kHz时,选定变压器磁心为EI25磁心.这种结构的磁心与环形磁心相比具有线圈绕制方便、分布参数影响小、磁心窗口利用率高、散热性好、系统绝缘可靠等优点;考虑到线包损耗与温升,把电流密度定为4A/mm2,那么初级和次级用0.41线径的漆包线绕制,反馈用0.19漆包线;计算输入/输出电压比例关系确定初/次级匝数比为:120匝:40匝,另外再加8匝sa7527反馈绕组.
为了减小分布参数的影响,初级采用双线并绕连接的结构,次级采用分段绕制,串联相接的方式.在变压器的绝缘方面,线圈绝缘选用抗电强度高、介质损耗低的复合纤维绝缘纸.
2.3功能单元设计
2.3.1宽电压输入
把输入整流高压取样信号与输出的检测电压分别输入sa7527乘积运算的两输入端3脚和2脚(MUL端子和SO端子),运算结果作为pWM的控制信号;当输入电压降低时,乘积运算的结果减小,使pWM脉宽输出增大,保证了在宽输入范围条件下输出的稳定.
由于sa7527乘法器MUL端子的电压输入范围为0～3.8V,为了保证输入电压的宽范围,我们设正常工作电压2V(近似中间值).因此,高压分压电阻比为:
(270V近似为正常220V交流输入的全波整流滤波后的电压值),由于MUL端的输入电流最大为5A,若该取样电路的功率为1/8W,那么R5+R1E900kΩ.故本设计取R1=2.7MΩ,R5=27kΩ.
