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提高大功率LED驱动电源可靠性的研究

随着LED发光效率的提高以及成本的不断下降,LED的市场正由手机背光源和汽车仪表照明,以及亮度要求不高的特殊照明和景观照明领域向普通白光照明领域扩展。

①发光效率高,能量消耗低。由于LED的光谱几乎全部集中于可见光区域,效率可达到80% ~ 90%,大功率LED照明的耗电量仅为相同亮度白炽灯的10% ~20%。

②安全,环保。大功率LED的工作电压为3 ~4 V 的直流电,因而没有电磁干扰。LED产生的废弃物可回收,无污染,可以安全触摸,属于典型的绿色照明光源。

③寿命长,可靠性高,LED的平均寿命长达50000h,大功率照明LED以其特殊的电子结构保证其工作时有良好的稳定性和可靠性,甚至在水下也能长时间稳定地工作。而且它没有传统灯泡的钨丝、玻璃壳等易损部件,维护费用低廉。LED 的工作温度范围也很宽,在-40 ℃ ~85 ℃之间均能正常工作。

④单色性能好,色彩丰富。光色纯,光线质量高,单一颜色LED的光谱狭窄,谱线单一,集中在可见光波段。

⑤体积小,重量轻,可以灵活地排列搭配使用。

⑥响应时间短,LED的响应时间只有数十纳秒。

近年来,由于LED的环保性、发光高效的特点而得到了广泛的应用,尤其在照明方面应用越来越广泛。就目前的发展来看,大家最为关心的是灯的寿命问题,而现在无论是灯使用者还是生产厂都看到,灯的寿命取决于驱动电源, 99%以上的灯故障都是由于驱动电源引起的,LED的寿命长达50000h,但与之配套的驱动电源的寿命仅为10000h。所以LED灯照明装置能否应用推广的关键环节之一是其驱动电源问题,笔者就提高大功率( 100 ~ 200W) 驱动电源的可靠性从如下两大方面进行了探讨。

1 防水及降温处理

大功率LED灯一般安装在室外,风吹雨淋自然难免,做好防水工作是关键所在。目前大家通用的方式是灌胶,而胶导热系数的差异直接影响电源的散热效果,最终影响寿命。

( 1) 选择符合高耐寒要求的胶,防止在超低温下胶体开裂等失效现象,要考虑灌注胶温度对器件性能的影响,不能选用灌注温度过高的胶,灌注温度应低于150 ℃,选用- 40 ~ 150 ℃的高品质胶。

( 2) 胶体的电气绝缘性能等级要符合要求。

( 3) 灌胶导热系数对驱动电源散热影响情况,由于电源的壳体结构已经确定,因此驱动电源的散热主要通过胶体传导,将热量传导到壳体,而后通过对流散热。表1 是导热系数不同的胶体的电源器件和壳体温度情况( 输入电压~ 100 V,输出48 V/3 A,环境温度25 ℃)。

通过比较可知良好的导热系数可以降低电子器件的温升,进而能够提高器件使用寿命,增加LED 驱动电源的可靠性。

( 4) 选用具有较高阻燃性能的灌胶,如果LED 灯电源在使用时发生火灾,将会造成生命和财产安全问题。

( 5) 胶体的固化收缩率对电源器件会产生很大影响,固化收缩率过大的胶将导致元器件连接应力的过大,导致器件变形甚至损坏。因此要选用收缩率较小的胶体,通常选用固化收缩率小于0. 1%的胶体。

2 驱动电源电路设计

目前LED 驱动电源存在驱动能力较低,保护功能较少,输出电压电流不稳定,可靠性差等问题,很难达到要求,根据设计经验提出了驱动电源硬件电路的设计方案,本设计能够很好地提高LED 驱动电源的可靠性。

2. 1 总体电路设计

LED 驱动电源的总体设计如图1 所示。图1 中主电路中U 为220 V 交流输入电压; RC,CC和DC构成RCD 电路; T 为变压器; S 为开关管; D 为整流二极管; C为整流电容; RC为采样电阻,具体电路如图1 所示。

电路在设计时考虑到电路的可靠性,输入端应具有隔离电路,以保护电网和用电设备的安全。输入端设计了输入保护电路,用来保护LED 驱动电源在电网侧产生脉动瞬态干扰下能够正常工作,并有效抑制共模和差模干扰。为了提高电路的功率因数,电路中采用了有源功率因数校正电路。为了实现恒流输出,采用电流反馈控制,RC采样电阻感应输出电流大小,与参考点电压进行比较,输出信号通过光电耦合电路输入到控制器,产生PWM 控制信号,控制变压器的工作方式,已达到变压器恒流输出。

2. 2 部分电路设计

( 1) 输入保护电路设计

LED 大功率灯驱动电源一般用在室外,用电环境相对比较恶劣,且外界的各种干扰容易使电源出现问题。同时,LED 灯驱动电源的故障,也容易对电网的安全造成隐患。因此,有必要在输入端设计保护电路,用来保护用电设备和电网的安全。

电路中有负温度系数热敏电阻,用来启动过电流保护。通过保险丝进行过电流保护。利用压敏电阻来抑制瞬变传导产生的干扰,吸收输入端的浪涌和脉冲干扰。电路中设有共模与差模干扰抑制电路,用来减小LED 驱动电源对其他用电设备的干扰,同时可以抑制外界用电设备对驱动电源的干扰。

( 2) 功率因数校正电路

将交流220 V 市电经整流后供给负载使用,最常用的整流方式是由4 个二极管组成的整流桥将交流电变换为直流电,但是这种方法存在着一个无法避免的缺点: 由二极管和电容组成的非线性电路会产生大量的电流谐波和无功功率,造成电网的污染。这种谐波污染不仅会使电网电压发生畸变,而且还会造成用电设备的故障和损坏。另外,用电设备的功率因数越高,则有功功率所占的比重越大,设备就越节能。

基于上述要求,可以采用安森美公司生产的MC33260 芯片作为有源功率因数控制芯片,此芯片只需要使用最少的外部元件便可以实现控制要求,可以极大地减小电感和功率开关的尺寸,降低系统的成本且功能还能达到要求。电路如图2 所示。

(3) RCD 缓冲电路设计

为了防止开关管被峰值电压击穿,通常可以采用的方法有如下两种: 一是减小漏感,二是通过设计RCD 缓冲电路吸收很高的电压尖峰能量。虽然在变压器的加工过程中将线圈缠紧并紧密地包围住气隙,然后将线圈外围包上铜箔可以有效地减小漏感; 但变压器漏感无法完全消失,因此需要设计RCD 电路对电压峰值进行吸收,电路如图3 所示。

(4) 变换电路设计

LED路灯驱动电源所需的输出功率较大,需要较高的转换效率,且需要较好的调节性和较小的纹波,由于考虑到需要将LED 照明装置与电网隔离,以提高安全性,所以采用单端反激式DC-DC 变换器,这种隔离式的DC-DC 变换电路的变压器不仅具有隔离和变压的作用,还具有电感的特性,可以起到储存能量的作用,且变换器工作于连续工作模式。这种变换器特别适用于功率为100 W ~ 200 W 之间的电源,且输出电压较高,输出电流较小的场合。这种工作模式虽然会使变压器副边的二极管损耗较大,但可以减小变压器的铁芯损耗。变压器副边产生的串扰可以采用串联饱和电感的方式来进行抑制。

(5) PWM 控制电路设计

DC-DC 变换器的PWM 控制原理有两种: 电压控制型和电流控制型。考虑到稳定性问题,我们采用电流控制型PWM 控制器,即NCP1230 模块( 图4) .它是一种峰值电流控制模式的PWM 控制器,具有向前极供电的功能,在空载时关闭PFC 电路,能够提高电源的效率。这款芯片还具有周期跳频,内部斜坡电压补偿,软启动等一系列功能。

2. 3 电路的EMC防护

LED灯的驱动电源受安装环境条件的影响,很容易受到电磁干扰,特别是雷击干扰。为此,驱动电源在设计阶段就要考虑这个问题,并且要达到一定的标准。例如,防雷要求要达到D级,线线之间电压承受± 6kV,线地之间±6kV,在产品试验过程中,直流输出范围应与正常服务条件一致: DC输出电压的波动应在± 10%以内;在试验过程中或试验结束后,驱动电源运行时不应有报警、错误报警等等。