LED照明电源设计与应用

LED照明电源设计与应用

刘军

1、LED的电气特性

从白光LED诞生以来，LED用于常规照明领域成为可能。随着近年来大功率白光LED的出现与发展，它已进入人们的生活照明、道路照明、工业照明等各个领域。LED作为二极管的种类之一，具有同普通二极管相似的V-I特性，它的开启电压要大于普通二极管。当外部施加电压大于开启电压后，电流将以正向电压的指数倍增加。在LED导通后一定电流值范围内，其发光亮度与电流值几乎成线性正比关系。故外部微小的电压变化都会引起发光亮度的显著改变。而过大的正向电流会使LED发热，LED的光效会着温度的升高而降低。并且持续过热会严重影响LED的寿命甚至造成其损坏。

2、电源工作原理

由于具有相对较高的热特性要求，LED驱动电源设计效率需要90%以上，并且质量轻，体积小，功率因数要求高于0.95。同时，LED驱动电源EMI测试余量不应小于6db，5年以上的保质期等等。目前，常用的LED驱动电源为BUCK电路、BOOST电路以及各种组合方式等。

2.1BUCK电路工作原理。BUCK电路即为降压式变换电路，包括低通滤波器、二极管、电源切换开关。当开光管导通条件下，输入电压通过开光管、低通滤波器作用在负载和电感上。当电感有压降时，电感电流上升，并且形成磁场储存能量。除了给负载提供电流外，也给电容充电。当开关管关闭时，电感两端电压极性反转，使二极管导通，电容的储能又可以通过二极管将能量作用于负载。因此在转换的过程中，电感和电容除了储能，构成了低通滤波器的作用，可以过滤掉高压脉冲高频成分的影响。输出电压低于输入电压。

2.2BOOST电路工作原理。BOOST即升压式变换电路，改变有源开关、电容器、电感器和无源开关二极管和其他组件。输出电容充电到额定输出电压，通过有源开关作用在电感，电感电流渐增加，并且形成磁场储存能量。二极管因低电平而反向截止，电容给负载提供能量，输出给电感储能。当有源开关关闭时，电电压极性反转，二极管获得高电平而导通，电感给负载提供能量，同时给电容充电。由于存在电感电压，因此输出与输入存在电压差，输出电压高于输入电压。

2.3反激式准谐振电路工作原理。反激式准谐振电路是隔离的BUCK和BOOST电路组合变换器。开关管导通时，可以通过电感电流，可用于存储能量。因为变压器初级绕组和次次绕组极性不同，所以开关二极管低电平被截止，电压无法作用于负载。当开关管关闭时，电感极性相反，二极管导通，电压给电容充电并作用于负载。因此，高频变压器不仅起到了隔离作用，还具有储能的作用。当通过直流电流，产生一定的去磁，变压器又会变得不饱和，因此变压器能量在不断的储存和释放的状态，形成了初级和次级回路的能量传递，最终形成稳定输出电流的模式。

2.4LLC谐振电路工作原理。作为一种新型的转换器器，，LLC是一种二次电路可用于分布式电源谐振转换器。在电路设计时，为满足LED驱动电源的高效率，选用场效应晶体管作为开关，使场效应晶体管作用在正弦电压或电流的情况下，在正弦波的过零点瞬间进行开关，减少电路损耗，提高电源效率。从功能组成看，LLC转换器控制是全桥变换器或半桥变换器与负载谐振回路组成。谐振电路的作用下，形成正弦电压或电流，通过开通或者关闭的开关作用，开关与电压或者电流过零点同步实施。可在谐振电路中加入变压器，变压器作为并联电感的作用，最终达到隔离效果。

3、LED光源智能照明控制设计及应用

3.1LED光源智能照明控制系统。LED光源智能照明控制系主要包括：LED灯具、LED灯具驱动器及LED照明控制。具体表现在：

3.1.1LED灯具。LED光源智能照明灯具对于光通量、发光强度、光照度、稳定性、正像电压以及电流都有着严格的要求，如电流，可分为最大驱动电流和实际驱动电流。在实际应用中，流过LED的电流不能其超过最大驱动电流，否则可能会损坏LED或导致亮度快速衰减。LED属于电流型器件:光通量的高低与通过的电流成正比。

3.1.2LED灯具驱动器。LED灯具驱动器可采用高效PWMLED驱动控制器集成电路A910，输入电压在8VDC到450VDC范围内均能有效驱动高亮LED。该芯片能以高达300KHz的固定频率驱动外部MOSFET,其频率开通过外部电阻设定。采用恒流方式控制外部LED，保证了亮度恒定并增强了LED的可靠性，其恒定电流由外部采样电阻决定，变化范围从几毫安到1安培。

3.2LED光源智能照明控制系统的应用

3.2.1LED光源智能照明系统在室外景观中的应用。在室外景观应用中，LED也是主流，主要控制方式是由DMX512发生器启动，产生信号发出，再由放大器将这些信号放大并通过分配器将光源发出到支持DMX的LED灯具上。

3.2.2LED光源智能照明系统在公路隧道中的应用。照明控制系统可以说是隧道监控系统的核心组成部分之一，照明控制系统的合理设计，不仅可以保证对隧道内部灯组的自动控制，更可以有效地降低隧道内部事故的发生率，为交通安全提供必要的保证。因此要设计一个高质量的隧道照明控制系统，功能需求分析是十分重要的，LED光源智能照明系统为公路隧道中的应用更好的促进了公路隧道的发展。

3.2.3LED智能照明控制系统在路灯照明中的应用。该应用的实现主要是系统通过无线传输的方式组网控制，采用GPRS远程通讯，区域通讯采用Zigbee控制协议，控制模块置于LED路灯内，运用Zigbee信号的特点，灯与灯之间进行信号传递，同时结合路灯的控制模式，可以实现定时控制、光照度控制、开关控制、调光控制等模式，还可以实现电脑中控显示，GPS地图调用等。

3.2.3LED照明产品的调光方式。LED照明产品在有些应用中需要根据不同的环境调整的亮度。如公共场所照明，晚间需要维持一定的照明强度，而白天有日光的时候就可以降低以节约电能。这就需要LED驱动电源具备输出电流可控的功能来改变灯具亮度。

目前常见的调光方式有模拟调光和脉宽调光两种。传统的TRIAC（双向晶闸管）调光因为会导致电源功率因数与效率的大幅降低将逐渐退出实际应用。（1）模拟调光。模拟调光又称A-Dimming调光。以一定范围内（通常是0～10V）的直流电压触发驱动电源控制器。因输入电压连续，可以对负载实现线性调光。但因调光电压范围较小，当电压值较低时易被外界干扰，使得输出电流不稳定，造成亮度闪烁。通常的解决方法是使电源输出电流在调光电压为0的时候依然有一定的输出，来屏蔽掉会发生闪烁的区间。这就使得应用模拟调光的时候亮度不能做到全暗到全亮的区间变化。（2）脉宽调光。脉宽调光即PWM调光。以一定占空比的方波信号输入驱动电源的控制器，通过控制与负载LED串联FET的占空比来改变周期内负载LED的导通时间，使其呈快速闪烁状态，这样改变了LED中电流的有效值。由于人眼的视觉暂留现象，从而看到“连续”的光。占空比的范围可以从0%～100%，负载LED的电流有效值可从0调节至最大。为避免人眼看到灯具的闪烁，脉宽控制信号的频率通常使用200Hz，兼顾调光FET的开关损耗和减轻电源的电磁辐射。

4、结语：总而言之，随着政府对LED推动的力度加大、LED成本的不断下降、LED驱动可靠性的加强，相信在不久的将来，LED照明将会逐步进入到千家万户，造福人类。

参考文献：

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[3]陈杰.高校教室智能照明控制系统的研究与设计[D].安徽理工大学,2014.

[4]孔镇.大功率LED道路照明系统设计及驱动电源的研究[D].华南理工大学,2012.