大功率LED照明恒流驅動電源的設計

在當今全球能源緊缺的環境下，節約能源已成為大勢所趨。同時，國家也大力倡導節能減排，已結束的2008年北京奧運會和即將到來的2010年上海世博會都不約而同地以綠色節能為主題，這就給中國LED照明產業的發展帶來了巨大的歷史機遇。大功率LED具有光效高、低功耗、壽命長、穩定性高、光色純、安全性好、可控性強等優點，正逐步取代以往的光源，開始廣泛運用于全彩顯示屏、交通信號燈、汽車車燈、背景光源、景觀照明、特種工作照明等，成為照明領域的新一代綠色光源。據國內有關機構預測，在奧運、世博的強力帶動下，中國LED照明市場規模將從2007年的48.5億元快速增長至2010年的98.1億元。有關專家分析認為，中國LED照明產業將在2010年前后迎來新的發展高峰。

問題的提出
一般來說，大功率LED的功率至少在1W以上，目前比較常見的有1W、3W、5W、8W和10W。其被稱為“綠色光源”，正朝著大電流（300mA～1.4A）、高效率（60～120lm/W）、亮度可調的方向發展。然而，大功率LED的發光強度是由流過LED的電流決定的，電流過強會引起LED的衰減，電流過弱會影響LED的發光強度，因此LED驅動需要提供恒流電源，以保證大功率LED使用的安全性，還需要滿足預期的亮度要求，并保證各個LED亮度、色度的一致性。所以，傳統上用于驅動燈泡(鎢絲)、日光燈、節能燈、鈉燈等光源的電源并不適合直接驅動大功率LED。用市電驅動大功率LED也需要解決降壓、隔離、PFC（功率因素校正）和恒流問題，還需有較高的轉換效率。

目前，市場上有上千款關于大功率LED恒流驅動的專用芯片，國內有廣鵬 (ADDtek)、點晶(SITI)、晶锜(SCT)、華潤矽威(PT)，國外有美國的超科(Supertex)、德州儀器（TI）、美信、國半、英國的捷特科（Zetex）等知名廠家。大多專用芯片采用遲滯型轉換器，低電壓輸入范圍，可升壓、可降壓、PWM控制、功率開關可內置或外置、輸出電流可以達到1.5A，內置過壓、欠壓、開路/短路和溫度保護電路等。

如圖1所示，遲滯型轉換器的關鍵特點是自振蕩，這意味著頻率將隨輸入電壓、LED電流和驅動LED數量的變化而變化。然而，這種轉換器經常運行在連續模式下，這意味著電感永遠不會飽和，也不會完全耗盡電流，MOSFET關斷后還繼續有電流維持LED亮度。但缺點是占空比和頻率不斷改變的情況下檢測電阻RCS呈現的阻抗是不一樣的，流經RCS的電流和LED實際電流相比不完全一致，檢測數據存在偏差。

圖1 遲滯型轉換器

在大功率LED照明工程領域中，需要100W以上大功率的恒流驅動電源，同時要求較高的效率和功率因數，目前市場上的E27、B22和GU10燈頭用LED驅動電源遠遠不能滿足大功率LED照明工程領域。

大功率LED的驅動電源設計考慮
從照明燈具發展歷史來看，幾乎沒有采用隔離方式。隔離方式設計勢必影響燈具驅動效率，也不符合未來節能降耗要求，所以LED照明不一定要采用隔離方式設計。

在大功率LED的串聯數量方面，流經大功率LED的電流不再受大功率白光LED串聯數量的限制。為了滿足不同的發光亮度需求，通過靈活地驅動多個大功率LED就可以實現。對于大功率白光LED的并聯使用，該類電路仍無法保證并聯分支LED的發光亮度一致性。但可以使用多個相同恒流電源，分路驅動不同的并聯分支LED，這樣就保證了并聯分支LED屬性一致性，從而可以解決發光亮度一致性的問題。

采用全部串聯方式要求LED驅動器輸出較高的電壓。當LED的一致性差別較大時，分配在不同LED兩端的電壓不同，但通過每顆LED的電流相同，LED的亮度一致。如采用恒流式LED驅動，當某一顆LED品質不良短路時，由于驅動器輸出電流保持不變，不影響余下所有LED正常工作。當某一顆LED品質不良斷開后，串聯在一起的LED將全部不亮。解決的辦法是在每個LED兩端并聯一個齊納管，不過，齊納管的導通電壓要比LED的導通電壓高，否則LED就不亮了。如廣鵬 (ADDtek)的大功率LED保護器A716、AMC7169和A720，分別是350mA、500mA和700mA LED保護器。如圖2所示，使用時將其與大功率LED并聯。

電源失效時負載斷開，這種功能在下列兩種情況下至關重要，即斷電和PWM調光。如圖2所示，在升壓轉換器斷電期間，負載仍然通過電感和二極管與輸入電壓連接。這樣即使電源已經失效，還會繼續產生一個小泄漏電流，極大縮短了LED的壽命。負載斷開在PWM調光時也很重要。在PWM空閑期間，電源已經失效，但是輸出電容器仍然與LED連接，它會通過LED放電，直到PWM脈沖再次打開電源。實施負載斷開電路時，最好在LED和電流傳感電阻器之間放置一個MOSFET。在路燈照明設計中,一般要求白天有自動關閉功能,可以在電路中間增加光敏電阻,在白天光線照射下阻值改變使那個MOSFET停止工作，當然也可以使后級DC/DC停止工作。

圖2 大功率LED保護器

在許多情況下，利用低頻(50～200Hz)PWM方式調節LED電流非常方便，通過控制脈沖寬度來調節亮度。這種調節方法的優點在于光譜保持不變，而采用幅度調節時，光譜會隨著流過LED電流的變化而改變。一般來說，低頻PWM調光電路的效率比線性LED調光電路更高。在路燈照明設計中,一般需要在半夜某時將路燈照度減低一半,節能降耗。可以在電路中間增加定時器，到時間輸出50%占空比即可功率減半。

防水設計，按使用環境分為戶外、戶內。目前的防水電源大多是以環氧樹脂作為防水密封填充材料，顏色主要為黑色，當然也有白色以及其他一些顏色。有少數廠家采用了其他的防水填充材料。重要的是它要能經得起高溫、冷凍、雨水以及一些腐蝕性物質的浸襲。

100W的LED路燈可以替代250W的高壓鈉燈，或300W的水銀燈。100W的LED路燈,其輸出光通量大約為6 250lm(經過二次光學設計,會有所損失)，到達路面時的流明數仍為6000，而路面的平均照度可以達到16Lux(桿高12m)。250W高壓鈉燈的輸出光通量為20 000lm，但到達路面的流明數就只有7000，路面的照度大約為30～40Lux。由于顯色系數的差別,LED的照度修正系數為2.35倍，高壓鈉燈的修正系數為0.94倍。所以，100W的LED經過修正以后，地面的照度為37.6Lux，而高壓鈉燈修正后的照度為28.2～37.6Lux，二者相當。所以，100W的LED路燈可以取代250W的高壓鈉燈，LED路燈可以節能60%。

如果不進行二次光學設計，LED的照射是比較集中，所以一定要進行二次光路設計，使其光強呈蝙蝠形，照射范圍可以達到66m。

主回路設計
大功率LED照明恒流驅動主電路采用優異的BOOST和DC/DC的兩級組合方式，具有良好的動態響應和穩流特性，解決了電網的諧波污染問題，使大功率LED驅動電源更加綠色環保。

BOOST采用主動式有源功率因數校正(APFC)電路，工作在連續模式，諧波電流和開關管電壓電流應力小。DC/DC采用半橋LLC串聯諧振轉換器，元器件數量有限，諧振儲能(tank)元件能夠集成到單個變壓器中，因此只需要1個磁性元件。在所有正常負載條件下，初級開關都可以工作在零電壓開關(ZVS)條件，而次級二極管可以采用零電流開關(ZCS)工作，沒有反向恢復損耗。特別適用于中、高輸出電壓轉換器的高性價比、高能效和EMI性能優異的解決方案。

傳統功率因數校正電路技術復雜、設計步驟繁瑣、所需元器件多、體積大而且成本高。因此，設計時往往要在性能和成本之間進行折衷。本設計采用了IR1150，它是一種新型的單周期AC／DC功率因數校正控制芯片，采用了IR公司的專利單周期控制(0ne-cycle control，OCC)技術，無須傳統PFC電路所需的模擬乘法器、輸入電壓采樣以及固定的三角波振蕩器，大大簡化了PFC電路的設計并縮小了裝置體積。

半橋LLC串聯諧振轉換器采用飛兆半導體公司推出的高集成度綠色FPS功率開關FSFR2100。其采用零電壓開關(ZVS)技術，能夠大幅降低MOSFET和整流器的開關損耗。采用這種技術，此FPS開關無須散熱器即可處理高達200W的功率，使用散熱器更可處理高達450W的功率。較之于傳統的硬開關轉換器拓撲，FSFR2100的效率提高了10%。它可以在輸入和負載大范圍變化的情況下調節輸出，同時開關頻率變化相對很小。此外，它可以在整個運行范圍內實現零電壓切換（ZVS）。最后，所有寄生元件，包括所有半導體器件的結電容和變壓器的漏磁電感和激磁電感，都是用來實現ZVS的。

照明恒流驅動電源主電路如圖3所示，前級APFC實驗電路輸入電壓AC 220V，額定輸出DC 380V，開關頻率f選擇70kHz，后級半橋LLC串聯諧振轉換器。輸出電壓范圍：DC 300～360V，輸出額定電流350mA，諧振頻率f0選擇100kHz，變壓器匝比n=Np/NS=0.6，功率滿足150～300W的輸出功率范圍。主電路依次是85V～264VAC→整流→PFC→380VDC→DC/DC（隔離）恒流→多顆LED串聯，APFC可以選用功率因數校正控制器IR1150、L6562和FAN7527B等，半橋LLC串聯諧振轉換器選用FSFR2100。

圖3 大功率LED照明恒流驅動電源主電路

關鍵技術設計
LED照明驅動方式，由于直接將RSET連接FB端會造成RSET的功耗過大，所以功率較小的LED恒流驅動電源往往在FB反饋端和RSET之間放置一個運算放大器以降低功耗。如圖4所示，運算放大器獲取采樣電阻RSET上的電壓，結合其他電阻和電容就可以構成一個完整、高效率的大功率LED恒流驅動電路。這樣就能在確保LED獲得恒流供電的同時，將RSET的功耗降低到可以接受的水平，從而使LED兩端的電壓盡可能大，流經的電流也盡可能大。

圖4 功率較小的LED恒流驅動

大功率LED恒流驅動電源采用先穩壓，再限流的混合方式。為適應負載需要，電壓需要保證在一定范圍內。LED的Vf值在3～3.6V之間，那么按LED實際數量即可確定電源部分需要調整的電壓范圍。大功率LED恒流驅動如圖5所示，設定穩壓源的最大設定值VSET（比如DC360V），設定穩流源的設定值ISET（300mA～1.4A），采樣RSET上的電壓，若超過穩流源的設定值時，則輸出電壓相應下降，根據LED燈串聯數量的多少，輸出電壓可降至最小值（如DC 300V）。

圖5 大功率LED恒流驅動

開關調節控制模式與電阻限流方式相比，電路成本較高；控制環路可準確調節LED電流；可實現幅值和低頻PWM調節；能夠實現LED特性的自動溫度補償；寬輸入電壓范圍；基本上不需散熱器，可節省成本，對于高輸入電壓和大工作電流，其他驅動方案會導致非常高的損耗，然而此模式仍能保持高效工作。

技術指標
根據上述設計方案，大功率LED照明恒流驅動電源的主要技術指標為：輸入電壓85～264V；頻率47～63Hz；輸出功率100W；輸出電流：350mA±5%或700mA±5%；輸出方式：多顆1W以上大功率LED串聯方式；輸出電壓范圍：DC 300～360V，效率≥90％，功率因數≥0.99，諧波≤5%，穩流精度≤5%；具有定時、調流、關機功能；具有過壓、過流、短路和過溫保護功能；全密封，防水要求IP65，外型尺寸(L×W×H)=185mm×70mm×45mm，重量1.5kg。工作溫度-40～+70℃，儲存溫度-50～+85℃，符合相關安規、ROHS和電磁兼容標準、防雷設計（ICE-61000-4-5 Class 4）。較好地滿足了照明工程的要求。