引言
由于小功率白光LED 價(jià)格低廉，發(fā)熱量小，光效高等特點(diǎn)，被大范圍的應(yīng)用到了普通照明，景觀照明，因此小功率LED 驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)和性能上的提高也就有了迫切的需求。LED 照明燈通常采用市電供電，由于LED 工作電壓低，電流小等特點(diǎn)，用市電驅(qū)動(dòng)LED 要解決降壓和整流問(wèn)題，還要有比較高的效率，較小的體積和較低成本。LED 是電流驅(qū)動(dòng)器件，其亮度與正向電流成正比，為了保證LED 發(fā)光高效均勻、LED 驅(qū)動(dòng)源應(yīng)為恒電流輸出。因此設(shè)計(jì)高效簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉的LED 驅(qū)動(dòng)源成為當(dāng)前一個(gè)研究熱點(diǎn)。
提出一種基于恒流二極管的電容降壓式小功率LED 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案，由交流市電供電，輸出低壓恒流，只需調(diào)整電路中部分元件參數(shù)即可恒流驅(qū)動(dòng)不同功率LED 燈組。這種設(shè)計(jì)方案在傳統(tǒng)電容降壓驅(qū)動(dòng)電路基礎(chǔ)上引入了恒流二極管，保證了驅(qū)動(dòng)源低壓恒流輸出。負(fù)載小功率LED 采用交叉陣列方式連接，降低了滅燈率。
1 LED 連接方式
在設(shè)計(jì)LED 照明系統(tǒng)時(shí)，需要考慮選用什么樣的LED 驅(qū)動(dòng)器，以及LED 的連接方式，只有合理的匹配設(shè)計(jì)，才能保證LED 正常工作。小功率白光LED 的正向電壓范圍一般為2.8~4 V，工作電流為15~20 mA。照明用的LED 燈一般是多個(gè)這樣的小功率LED 通過(guò)串并聯(lián)方式組合在一起的，這些LED 通常需要匹配以產(chǎn)生均勻的亮度。另外還需要采用合理的方式將這些LED 連接在一起，不能因?yàn)槠渲幸活wLED 燈珠損壞而導(dǎo)致整個(gè)LED 燈組不能工作。
將多個(gè)同型號(hào)的LED 串接在一起，流過(guò)每個(gè)LED 的電流相等。LED 一致性較差時(shí)，雖然不同LED 燈珠正向電壓不同，但流過(guò)每個(gè)LED 的電流相等，每個(gè)LED 燈珠的亮度將會(huì)一致。LED 串聯(lián)連接驅(qū)動(dòng)源輸出電壓要求較大，電流必須恒定在20 mA 以下。當(dāng)其中一個(gè)LED 因?yàn)槠焚|(zhì)不良斷路后，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)LED 燈組不亮，這對(duì)LED 燈珠的品質(zhì)和焊接工藝要求較高。
多個(gè)LED 燈珠全部并聯(lián)，需要驅(qū)動(dòng)器輸出較大的電流，輸出電壓在3 V 左右。并聯(lián)連接方式可以避免一個(gè)LED 燒壞后整個(gè)燈組熄滅這一嚴(yán)重缺陷。由于LED 發(fā)光強(qiáng)度與工作電流成正比關(guān)系，LED 燈珠之間參數(shù)存在一定差異，流過(guò)每個(gè)LED燈珠的電流不一致，直接導(dǎo)致LED 發(fā)光亮度不均勻。采用恒流方式驅(qū)動(dòng)并聯(lián)LED 時(shí)，LED 燈珠應(yīng)盡量多的并聯(lián)，防止因?yàn)槠渲袔最wLED 燒壞，致使流過(guò)其他LED 的電流增加而燒壞。
為了提高可靠性、發(fā)光均勻性，提出了交叉陣列連接方式，圖1 為L(zhǎng)ED 交叉陣列連接方式圖。
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從圖中可以看出當(dāng)其中個(gè)別LED 短路或斷路，也不會(huì)引起整個(gè)燈組熄滅。這種交叉陣列連接方式具有線路簡(jiǎn)單，亮度穩(wěn)定，可靠性高，對(duì)驅(qū)動(dòng)要求較低等特點(diǎn)。
2 小功率LED 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
2.1 電容降壓電路
LED 采用交流市電供電時(shí)，必須經(jīng)過(guò)AC/DC以及DC/DC 轉(zhuǎn)換將高電壓的交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，目前降壓電路主要有工頻變壓器線性降壓電路，高頻開(kāi)關(guān)電路，基于IC 的降壓電路，電容降壓電路等幾類?？紤]到驅(qū)動(dòng)電源的體積與成本，本文采用電容式降壓電路。圖2 為電容降壓電路：
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圖2 中無(wú)極性降壓電容C1 的充放電電流為IC=2πfCU0 (U0 為交流電壓，f 為交流頻率)，降壓電容C1 向負(fù)載提供的電流I0 實(shí)際上就是流過(guò)C1的充放電電流IC。當(dāng)負(fù)載電流小于的充放電電流時(shí) ,多余的電流就會(huì)流過(guò)濾波電容C2。若U0=220 V，f=50 Hz 則IC=69C(IC 的單位為mA，C 的單位為μF)。為了能夠保證降壓電容安全可靠工作，其耐壓值應(yīng)大于2 倍市電電壓，因此降壓電容宜選用耐壓值630 V 的獨(dú)石電容。R1 為1 MΩ 放電電阻，當(dāng)電路斷電C1 通過(guò)R1 快速放電，D1—D4 為IN4007組成的全波整流橋。為了獲得較好的濾波效果，選擇的濾波電容的容量應(yīng)滿足RLC=(3~5)T/2(RL 為負(fù)載電阻，T 為0.02 s)，耐壓值應(yīng)大于1.1 2 U0(U0為電容降壓電路輸出電壓)。原則上，電容值取的越大，輸出電壓越平滑其紋波值越小。但是隨著電容容量的增大，一般其體積也隨之增大，在考慮電路板面積的情況下，應(yīng)盡量選擇大容量的濾波電容。
2.2 市電供電的小功率LED 驅(qū)動(dòng)電路
基于恒流二極管的市電供電小功率LED 驅(qū)動(dòng)電路如圖3 所示：
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圖中D5,D6 為恒流二極管，本設(shè)計(jì)采用的恒流二極管為貴州博越公司的2DHL 系列。2DHL 系列恒電流二極管是一種硅材料制造的基礎(chǔ)電子器件。
正向恒電流導(dǎo)通，反向截止。輸出的恒電流大，精度高，啟動(dòng)電壓低。器件按極性接入電路回路中，即可達(dá)到恒流的效果，應(yīng)用簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了電路理論和電路設(shè)計(jì)中的二端恒流源。由于輸出電流大，可以直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)恒定電流電源。在LED、半導(dǎo)體激光器、以及需要恒功率供電驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合有廣泛應(yīng)用。具有啟始電壓低(3~3.5 V)，恒流電壓范圍廣(25~100 V)，響應(yīng)時(shí)間快(tr < 50 ns tf <70 ns)，負(fù)溫度系數(shù)等優(yōu)良特性。為了提供更大電流可以將多個(gè)恒流二極管并聯(lián)使用，并聯(lián)以后輸出電流為各個(gè)恒流二極管標(biāo)稱電流之和。由于恒流二極管工作電壓范圍加大，因此即使負(fù)載LED 短路也不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路燒毀，具有很強(qiáng)的電路保護(hù)功能。
小功率LED 正向電壓2.8~3.2 V，最大工作電流為20 mA。LED 亮度L 與正向電流IF 成正比：
mL = KI F (K 為比例系數(shù))[6]，工作電流越大發(fā)光亮度越大，但由于LED 也具有亮度和飽特性，所以LED 正向驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)小于其標(biāo)電流。小功率LED電流達(dá)15 mA 以后，亮度以達(dá)到飽和，如果繼續(xù)增大電流不僅不會(huì)提高亮度，還會(huì)使LED 的PN 溫度迅速升高導(dǎo)致光衰。
C1 為降壓電容，電容降壓電路輸出電流主要與降壓電容容量和輸出電壓有關(guān)，輸出電壓越高電流越小。理論上驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓可以達(dá)100 V 以上，但考慮到高電壓下濾波電容C2 的體積較大，不易于電路安裝，本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路主要使用50 V和100 V 的濾波電容。雖然電容容值越大驅(qū)動(dòng)電路輸出電流越大，但降壓電容值太大會(huì)降低整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的安全特性與穩(wěn)定性，因此建議降壓電容的容值不要超過(guò)3.3 μF。下表1 給出了采用0.68~3.3 μF不同大小降壓電容，驅(qū)動(dòng)電路在不同電壓下提供的電流以及能夠驅(qū)動(dòng)的最多LED 數(shù)量。(此表中的數(shù)據(jù)為多次實(shí)驗(yàn)與仿真所得)。
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LED 采用交叉陣列方式連接，先將相同個(gè)數(shù)LED 并聯(lián)成組，再將各個(gè)組串聯(lián)。采用交叉陣列方式，對(duì)LED 燈珠一致性要求不高，并且不會(huì)因?yàn)槠渲幸活w燈珠損毀而導(dǎo)致整個(gè)LED 燈熄滅。由于目前LED 白光頻譜成分單一，柔和性較差，為了提高LED 燈整體發(fā)光柔和度，應(yīng)在白光LED 燈中適當(dāng)加入幾顆黃光LED 燈珠。
3 仿真與實(shí)驗(yàn)分析
3.1 驅(qū)動(dòng)電路的 Pspice 仿真
為了驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電路的可行性，采用pspice 電路仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真，圖3 為瞬態(tài)分析時(shí)輸出電壓與電流波形。驅(qū)動(dòng)電路中降壓電容C1 容量為1 μF，濾波電容C2 容量為1000 μF，串聯(lián)一顆2DHL060 恒流二極管(恒定電流60 mA)，輸出驅(qū)動(dòng)28 顆0.06 W 白光LED(采用4*7 交叉連接方式)。
從圖可以看出電路在100 ms 時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài) ,穩(wěn)定后其輸出電壓為25V 輸出電流恒定為60 mA?；掘?yàn)證了基于恒流二極管的小功率LED 驅(qū)動(dòng)電路的可行性。
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3.2 實(shí)驗(yàn)分析
為了進(jìn)一步驗(yàn)證了基于恒流二極管的小功率LED 驅(qū)動(dòng)電路的可行性。制作了驅(qū)動(dòng)65 顆(5*15方式連接)0.06 W 白光LED 的驅(qū)動(dòng)源，其中降壓電容C1 為1.5 μF，濾波電容C2 為1000 μF，恒流二極管為兩顆2DHL040 并聯(lián)，并利用萬(wàn)用表對(duì)電流電壓進(jìn)行測(cè)量。實(shí)際測(cè)得輸入電壓在196~248 V范圍內(nèi)輸出電流恒定為80 mA，相當(dāng)于流過(guò)每個(gè)LED 電流為 16 mA。在219 V 輸入電壓條件下，整個(gè)電路消耗的功率為 7.1 W ，則驅(qū)動(dòng)源的功率因素為 0.47。圖5 為制作的小功率驅(qū)動(dòng)源實(shí)物圖。
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4 總結(jié)
本文設(shè)計(jì)的基于恒流二極管小功率LED驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、滿足LED 恒流驅(qū)動(dòng)的要求，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本驅(qū)動(dòng)電路可靠性很高。通過(guò)改變降壓電容可適合用作多種 LED 燈具電源。