LED電源的挑戰(zhàn)

　　LED作為新型的電光源，在制作大型發(fā)光立體字和發(fā)光標(biāo)識(shí)中有著明顯的優(yōu)勢(shì)，其控制電壓低，成本低，可靠性高。雖然LED產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)有著愈演愈烈的 發(fā)展趨勢(shì)，但是LED照明畢竟是新興的產(chǎn)業(yè)，目前還沒有廣泛的普及，因此LED驅(qū)動(dòng)電源不可避免的在各方面存在著挑戰(zhàn)：首先，由于LED的正向電壓會(huì)隨著 電流和溫度而變化，其“色點(diǎn)”也會(huì)隨著電流和溫度而漂移，為了保證LED的正常工作，就要求其驅(qū)動(dòng)器無論在輸入條件和正向電壓如何變化的情況下都要限制電 流。其次，如果需要LED調(diào)光，通常采用的是脈寬調(diào)制調(diào)光技術(shù)，典型的PWM頻率是1~3kHz.最后，LED驅(qū)動(dòng)電路的功率處理能力必須充足，且功能強(qiáng) 固，可以承受多種故障條件，易于實(shí)現(xiàn)。

　　本文所介紹的方案采用Panasonic松下MIP553內(nèi)置PFC可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)電路的芯片，與外部非隔離底邊斬波電路合成作為基本的電路結(jié)構(gòu)，輸出穩(wěn)定的電流用以滿足LED工作的需要。同時(shí)設(shè)計(jì)保護(hù)電路來保護(hù)負(fù)載。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制器芯片能穩(wěn)定工作，并且可以實(shí)現(xiàn)27V的恒壓輸出和350mA的恒流輸出。

　　LED電源的基本工作原理

　　采用BUCK變換器、IPD控制實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源，輸出恒定的電流和電壓，驅(qū)動(dòng)LED燈。電路的總體框圖如圖1所示。

　　主電路部分，在市電之后緊接著接了一個(gè)濾波器，它的作用是濾除電源中的高次諧波以及電源中的浪涌，使得控制電路受電源的干擾小。輸入整流部分采用一體式的整流橋，通過二極管的單向?qū)ǖ奶匦詫㈦娖皆诹泓c(diǎn)上下浮動(dòng)的交流電轉(zhuǎn)換為單向的脈動(dòng)的直流電，再在濾波電容和電感的作用下，輸出直流電壓。經(jīng)過MIP553和BUCK電路的調(diào)節(jié)和控制后輸出供LED使用的電壓。

　　LED電源的具體設(shè)計(jì)

　　輸入電路的設(shè)計(jì)

　　為了延長(zhǎng)LED驅(qū)動(dòng)電源的使用壽命，使之與LED相匹配，必須要去除電路中的電解電容。

　　電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：輸入交流電壓Vm:198-264VAC/50Hz;輸出電壓Vo:27VDC;輸出電流Io:0.35A.

　　輸入電路包括噪聲濾波裝置、安全保險(xiǎn)裝置以及輸入整流裝置，如圖2所示。

　　噪聲濾波裝置主要由電容C1/C2/C3和電感L1組成，其作用是在小于1MHz的頻段內(nèi)，能夠減少電磁干擾（EMI）。此裝置也可以鏈接在AC交流之后，整流裝置之前，其濾波效果是一樣的。安全保險(xiǎn)裝置由保險(xiǎn)絲和ZNR1組成，保險(xiǎn)絲主要防止有危害電路的尖峰電流產(chǎn)生的時(shí)候迅速切斷電路以保護(hù)負(fù)載；ZNR1是浪涌吸收器，對(duì)于來自輸入端的靜電和浪涌進(jìn)行吸收，以此來保護(hù)后面的電路。輸入整流裝置，是將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，輸入整流橋的選擇：整流橋二極管的電壓應(yīng)力為：

　　考慮裕量，選用TSC GBL205（VR=600V,IFAN=1A）。

　　輸出電路的設(shè)計(jì)

　　輸出電路由基本的BUCK電路和一個(gè)穩(wěn)壓二極管DD1組成。如圖3所示。

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　　BUCK變換器及其優(yōu)勢(shì)

　　Buck變換器又稱為降壓變換器、串聯(lián)開關(guān)穩(wěn)壓器、三端開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器，是一種輸出電壓等于或小于輸入電壓的單管非隔離DC/DC變換器。

　　工作中的輸入電流is,在開關(guān)閉合時(shí)，is>0;在開關(guān)打開時(shí)，is=0,故is是脈動(dòng)的，但輸出電流io在電感、二極管、電容的作用下卻是連續(xù)的、平穩(wěn)的。特別適合為L(zhǎng)ED提供工作電流。

　　FRD1的選擇標(biāo)準(zhǔn)：額定電流大于2倍的輸出電流，額定電壓大于輸入電壓，其反向恢復(fù)時(shí)間也要在100ns以內(nèi)，考慮裕量，F(xiàn)RD1的參數(shù)為：15A,600V,trr=50ns.用類似的方法選擇T1和Cout,那么其參數(shù)分別為：T1:680μH;Cout:1μF,50V.

　　穩(wěn)壓二極管DD1

　　在低輸入電壓的某范圍內(nèi)，若沒有像DD1的這種反向裝置，那么在開關(guān)關(guān)斷的瞬間將會(huì)有反向電流流過IPD,而IPD是不允許有這種電流的，因?yàn)檫@種反向電流將會(huì)導(dǎo)致IPD的損壞。

　　DD1所受到的各應(yīng)力：IDD>2·Io=2×0.35=0.7A,UDD>Uo,反向恢復(fù)時(shí)間trr<100ns.考慮裕量，其選擇的參數(shù)為：3A/60V/75ns.

　　保護(hù)電路

　　MIP553內(nèi)置過壓、過流、過熱、LED短路的保護(hù)電路，但并無LED開路時(shí)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。LED開路時(shí)的保護(hù)電路的思想主要有穩(wěn)壓二極管保護(hù)、三極管保護(hù)、偏壓線圈保護(hù)等，考慮到成本和結(jié)構(gòu)，文中選擇具有穩(wěn)壓二極管的保護(hù)電路。其電路圖如圖3所示。當(dāng)LED開路時(shí)，輸出電壓上升，若輸出電路有穩(wěn)壓二極管的保護(hù)電路，那么穩(wěn)壓二極管將LED的電壓嵌位在二極管的壓降之下，這樣就能防止輸出電容的毀壞。

　　控制電路的設(shè)計(jì)

　　控制電路由MIP553及其外圍電路組成，如圖4所示。

　　MIP553芯片實(shí)現(xiàn)寬電壓85~277V/AC輸入，內(nèi)置MOS,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，可不需要電解電容，支持隔離或非隔離方案，單電源輸出功率6~30W,恒定電流輸出<1A.電源具有過壓、過流、過熱保護(hù)功能，安全穩(wěn)定性高，體積小，發(fā)熱量低，電源效率≥80%,功率因數(shù)≥95%,THD<20%.

　　MIP553的漏極電流由引腳CL和EX控制，因此連接這兩個(gè)引腳的電阻RCL、REX的設(shè)置將直接影響漏極電流的大小。最大漏極電流可由REX來確定，考慮到這個(gè)最大漏極電流要流經(jīng)LED,因此設(shè)置參考值時(shí)應(yīng)該注意。

　　REX=（VDD（ON）-VEXH）/IEX=（6.5-2.8）/103=36kΩ （3）

　　其中，假設(shè)輸入電壓100V,輸出電壓28V,電流：400mA,最大漏極電流設(shè)為1.0A.

　　CVDD、CEX、CCL的作用是穩(wěn)定MIP553的運(yùn)行、抑制外部噪聲。因此，其值要選擇得當(dāng)。CVDD,穩(wěn)定VDD的電壓、抑制LED的閃爍，特性不受溫度影響、不產(chǎn)生額外的噪聲，參考標(biāo)準(zhǔn)值為1~10μF之間；CEX,抑制外部噪聲進(jìn)入EX引腳，其參考標(biāo)準(zhǔn)值在470~1000pF之間；CCL,抑制外部噪聲進(jìn)入CL引腳，如果其值太大的話，那么pF值將會(huì)受到嚴(yán)重的影響，因此其值應(yīng)小于1000pF.

　　仿真結(jié)果

　　利用Multisim對(duì)電路進(jìn)行仿真，得到的結(jié)果如圖5所示。

　　從圖5中可以看出，輸出電壓穩(wěn)定在27V,電流穩(wěn)定在0-35A,符合設(shè)計(jì)要求。

　　本文介紹了利用MIP553進(jìn)行設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)電源，并通過仿真證明了其輸出電流的穩(wěn)定性，有很好的應(yīng)用前景。