晏劍輝

(瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川瀘州646005)

LED路燈照明是一種省電、節(jié)能、低碳環(huán)保的照明光源，市場(chǎng)前景廣闊［1］。我國(guó)在2009年開(kāi)展了“十城萬(wàn)盞”計(jì)劃［2］，在21個(gè)城市進(jìn)行了試點(diǎn)工作，LED路燈以其突出的示范效應(yīng)成為各類(lèi)半導(dǎo)體照明技術(shù)中的一大亮點(diǎn)。LED的理論壽命是5×104h，但是在試點(diǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)LED路燈照明也存在許許多多的問(wèn)題，如故障多、使用壽命短，沒(méi)有過(guò)多久就報(bào)廢了。造成LED省電節(jié)能，而不省錢(qián)的現(xiàn)象，甚至遭到公眾的質(zhì)疑。綜合分析其故障根源，95%的問(wèn)題都是電源驅(qū)動(dòng)器的元器件損壞導(dǎo)致LED路燈壽命提前終結(jié)，而并非LED光源自身壽命所引起的［3］。本文旨在研究一種基于單片機(jī)智能控制的無(wú)電解電容器的電源驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)電源。通過(guò)使用扼流圈、磁放大器原件等長(zhǎng)壽命的器件取代電解電容器，進(jìn)行電源中紋波濾波，提高電源驅(qū)動(dòng)器的壽命，進(jìn)而提高LED路燈的使用時(shí)間。

1 LED的工作原理分析

1.1 LED發(fā)光原理

照明發(fā)光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs(砷化鎵)、GaP(磷化鎵)、GaAsP(磷砷化鎵)等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。其發(fā)光過(guò)程是在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子(少子)一部分與多數(shù)載流子(多子)復(fù)合而發(fā)光。發(fā)光二極管中包含2種或3種顏色的芯片假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價(jià)帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心(這個(gè)中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近)捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見(jiàn)光［5］。

1.2 LED發(fā)光與半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg關(guān)系分析

按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色(又細(xì)分黃綠、標(biāo)準(zhǔn)綠和純綠)、藍(lán)光等。發(fā)光的復(fù)合量相對(duì)于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)μm以內(nèi)產(chǎn)生。理論和實(shí)踐證明，光的峰值波長(zhǎng)λ與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg有關(guān)，即λ≈1 240/Eg(mm)。其中，Eg的單位為電子伏特(eV)。若能產(chǎn)生可見(jiàn)光(波長(zhǎng)在380 nm紫光～780 nm紅光)，半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.26 eV～1.63 eV之間。比紅光波長(zhǎng)長(zhǎng)的光為紅外光。由此可見(jiàn)LED發(fā)光與PN內(nèi)置節(jié)控制的電源電壓有密切的關(guān)系。

2 LED的工作電源分析與LED發(fā)光

在工頻電源供電的LED燈的外接電源通常為220 V或380 V，為了有效的禁帶寬度Eg，需要對(duì)LED電源驅(qū)動(dòng)電路輸出的電流和電壓進(jìn)行很好的控制，以達(dá)到LED正常工作的所需的電壓。傳統(tǒng)的LED電源供電電路的整流、降壓、穩(wěn)壓主要是由開(kāi)關(guān)電源和電容等原件組成，存在有一下問(wèn)題。

從技術(shù)層面來(lái)看，LED本身的壽命往往長(zhǎng)達(dá)幾萬(wàn)小時(shí)，但有時(shí)8 000 h就不錯(cuò)了。造成這種現(xiàn)象的原因是什么?

圖1 開(kāi)關(guān)電源示意圖

綜合分析其故障根源，95%的問(wèn)題都是電源驅(qū)動(dòng)器的元器件損壞導(dǎo)致LED路燈壽命提前終結(jié)，而并非LED光源自身壽命所引起的。LED光源自身的壽命并不是LED路燈的使用壽命。LED路燈的使用壽命是由LED光源壽命和驅(qū)動(dòng)電路的壽命共同決定的。由于電解電容的有效工作壽命，在很大程度上受環(huán)境溫度及作用在內(nèi)部阻抗上的紋波電流導(dǎo)致的內(nèi)部溫升影響，而電解電容制造商提供的電解電容額定壽命是根據(jù)暴露在最高額定溫度環(huán)境及施加最大額定紋波電流條件下得出的。在105℃時(shí)典型電容額定壽命可能是5 000 h［6］，電容所實(shí)際遭受的工作應(yīng)力相比額定電平越低，有效工作壽命也就越長(zhǎng)。因此，電解電容的不匹配，直接影響到了LED燈的使用壽命。在工頻電網(wǎng)的LED路燈電源驅(qū)動(dòng)電路中都是采用降壓式開(kāi)關(guān)電源，如圖1所示。

圖2為調(diào)整元件S開(kāi)關(guān)通斷時(shí)的波形。

圖2 調(diào)整元件S開(kāi)關(guān)通斷時(shí)的波形

當(dāng)開(kāi)關(guān)接通的持續(xù)時(shí)間為ton，斷開(kāi)持續(xù)時(shí)間為toff，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換周期為T(mén)=ton+toff，則輸出電壓的等效值為

式中:δ為脈沖占空比系數(shù)，它等于ton/T。由此可見(jiàn)，調(diào)整輸出電壓等效值的大小唯一的方法就是改變占空系數(shù)。實(shí)現(xiàn)占空系數(shù)調(diào)節(jié)的方法以PWM(脈寬調(diào)制器)為主。我們從公式中得知PWM脈寬調(diào)制始終周而復(fù)始地接通ton和斷開(kāi)toff，持續(xù)地產(chǎn)生如圖2的方波波形，很明顯輸出的電壓值存在峰值電壓Vp-p和谷值電壓0值。顯然這個(gè)方波值必須經(jīng)過(guò)電解電容平滑濾波才能得到穩(wěn)定可靠的Uav值，具有濾波電容的開(kāi)關(guān)電源示意圖與波形如圖3和圖4所示。

圖3 濾波電容的開(kāi)關(guān)電源示意圖

圖4 開(kāi)關(guān)電源波形

這就是為什么目前成千上萬(wàn)種LED路燈驅(qū)動(dòng)電源必須使用電解電容的瓶頸所在即:當(dāng)電解電容一旦失效，Uo實(shí)際輸出的電壓峰值Vp_p等于Ui，瞬間可以燒毀LED光源芯片。

在電子器件中，電解電容器壽命的計(jì)算公式如下:(以下數(shù)據(jù)是日本日立公司生產(chǎn)的電容器壽命數(shù)據(jù))。從上述公式和列表中可知電解電容的正常壽命只有2000 h～10 000 h。

表1 Max.Core temperature rise setting(snap-in type)

3 新型LED路燈電源驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

基于對(duì)電容器問(wèn)題，同時(shí)由于市網(wǎng)電源電的電壓、頻率波動(dòng)也會(huì)影響電源驅(qū)動(dòng)器的電壓輸出的穩(wěn)定性，因此本文從整流、降壓、穩(wěn)壓幾個(gè)方面關(guān)鍵流程，對(duì)電源驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了以一下3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)措施:

(1)使用MCU單片機(jī)數(shù)字控制［7-8］，實(shí)現(xiàn)APC(自動(dòng)相位控制)技術(shù)輸出多相等幅多相位方波群疊加的直流DC電壓［9］。

(2)使用磁放大穩(wěn)壓器進(jìn)行電源的穩(wěn)壓和恒流，減少市網(wǎng)電源電壓突變時(shí)涌流對(duì)輸出電壓的影響。

(3)在電源驅(qū)動(dòng)器上使用永久性的電子器扼流圈對(duì)高頻調(diào)制波進(jìn)行濾波，代替電解質(zhì)電容器，完全使電源驅(qū)動(dòng)器無(wú)電解電容化。

3.1 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)施

(1)基于單片機(jī)智能控制的多相位方波群整流電路分析

傳統(tǒng)的電源驅(qū)動(dòng)采用的整流電路的4只整流二極管，被接成橋路后封裝成一個(gè)整流器件，稱(chēng)“硅橋”或“橋堆”。根據(jù)二極管的單向?qū)ǖ墓ぷ髟?，整流變相在正弦交流電壓的零點(diǎn)換向。傳統(tǒng)整流電路與波形如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)整流電路與波形圖

從圖5可以看出，整流處的4個(gè)電壓波在時(shí)間上依次相差180°疊加，并且整流波過(guò)零點(diǎn)時(shí)，其電壓為0 V，輸出的最高電壓為有效值U的1.414倍，即輸出的電壓不穩(wěn)定。

通過(guò)單片機(jī)智能控制的可控硅觸發(fā)時(shí)間［3］可以得到比較均衡電流波，如圖6所示。

圖6 智能控制的可控硅電路與波形圖

從圖6可以看出，整流觸發(fā)設(shè)為60°時(shí)，整流的6個(gè)電壓半波在時(shí)間上依次相差60°疊加，得出的波形比較平穩(wěn)，而輸出的最小值不再為零點(diǎn)，而是

其中Vmin是最小電壓，VP是電壓的有效值。

在進(jìn)一步調(diào)整觸發(fā)角度時(shí)，可以得到更加平穩(wěn)而的直流電壓。取代常規(guī)的PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，PWM調(diào)制必然是產(chǎn)生峰值和谷值的DC/DC轉(zhuǎn)換技術(shù)，這種技術(shù)是需要大容量的電解電容進(jìn)行濾波，才能輸出平滑的直流電壓的。并且在整流觸發(fā)角度可以通過(guò)反饋電路進(jìn)行調(diào)整，是的電路的輸出電壓更加平穩(wěn)，進(jìn)而達(dá)到半導(dǎo)體材料所需的禁帶寬度Eg。

(2)基于電感線圈取代電解電容的電路

傳統(tǒng)的電路穩(wěn)壓和濾波都是用的是電解容，如圖7所示。

圖7 傳統(tǒng)電解電容的電路與波形圖

由于電解電容的有效工作壽命在很大程度上受環(huán)境溫度及由作用在內(nèi)部阻抗上的紋波電流導(dǎo)致的內(nèi)部溫升影響。電解電容制造商提供的電解電容額定壽命是根據(jù)暴露在最高額定溫度環(huán)境及施加最大額定紋波電流條件下得出的。在105℃時(shí)典型電容額定壽命可能是5 000 h，電容所實(shí)際遭受的工作應(yīng)力相比額定電平越低，有效工作壽命也就越長(zhǎng)。因此，電解電容的不匹配，直接影響到了LED燈的使用壽命。

利用電感線圈可以實(shí)現(xiàn)使用磁放大穩(wěn)壓器進(jìn)行電源的穩(wěn)壓和恒流，減少市網(wǎng)電源電壓突變時(shí)涌流對(duì)輸出電壓的影響。在電源驅(qū)動(dòng)器上使用永久性的電子器扼流圈對(duì)高頻調(diào)制波進(jìn)行濾波，代替電解質(zhì)電容器，完全使電源驅(qū)動(dòng)器無(wú)電解電容化，使用磁放大穩(wěn)壓器進(jìn)行電源的穩(wěn)壓和恒流如圖8所示。

圖8 電感穩(wěn)壓電路與波形

3.2 新型系統(tǒng)組成與工作原理［10］

新型LED路燈電源驅(qū)動(dòng)器由7部分組成:①防雷措施與浪涌電壓電流電路;②多相整流電路;③DCDC開(kāi)關(guān)電源電路、扼流圈;④磁放大器電路;⑤穩(wěn)壓恒流輸出電路;⑥穩(wěn)壓恒流與移項(xiàng)鎖項(xiàng)控制電路;⑦電流、電壓取樣與單片機(jī)控制電路。如圖9所示。

圖9 新型LED路燈電源驅(qū)動(dòng)器原理方框圖

工作原理:當(dāng)50 Hz工頻電源連接到電源驅(qū)動(dòng)器時(shí)，通過(guò)整流、降壓、穩(wěn)壓、測(cè)量與反饋，然后由單片機(jī)進(jìn)行智能分析調(diào)整輸出的電壓為恒定的電源供LED路燈使用［10-11］。各部份的作用如下:

首先防雷措施與浪涌電壓電流電路經(jīng)過(guò)防雷措施、浪涌電壓電流的處理，使送到后級(jí)的電源沒(méi)有干擾，沒(méi)有雜波［12］;多相整流電路通過(guò)多相交流電全橋整流將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，但是這個(gè)時(shí)候的電壓值特別高，即高壓直流電并不適合LED光源晶片的驅(qū)動(dòng)。因此，我們必須將高電壓的電壓能量轉(zhuǎn)換低電壓才能使用，在這里DC-DC開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器就起到這個(gè)作用。由于LED光源需要優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的直流電源，我們?cè)谶@里使用了多相相移鎖相控制電路對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制。各相DC-DC轉(zhuǎn)換輸出的方波群的高電平正好疊加在超前相位的低電平位置，最終形成沒(méi)有紋波的直流電壓。雖然這時(shí)候已經(jīng)輸出的直流電壓已經(jīng)可以驅(qū)動(dòng)LED光源晶片進(jìn)行照明了，但是這個(gè)時(shí)候輸出的直流電壓幅值會(huì)隨工頻50 Hz的市電有效值波動(dòng)而波動(dòng)，即不穩(wěn)定的電壓會(huì)對(duì)LED壽命帶來(lái)影響，那么我們?cè)谶@里增加了磁放大器對(duì)輸出的電壓值和電流值進(jìn)行跟蹤控制，直流電壓經(jīng)過(guò)磁放大器電路的控制，最終輸出的電壓值以及電流值精確地穩(wěn)定在LED光源需要的幅值上。電流、電壓取樣與單片機(jī)控制電路對(duì)于DC-DC轉(zhuǎn)換的相位以及磁放大器的精確控制需要一個(gè)大腦中樞統(tǒng)一指揮和協(xié)調(diào)，這就是單片機(jī)程序的功能。單片機(jī)按照程序員預(yù)先植入的程序高速地執(zhí)行，不斷地對(duì)本電源驅(qū)動(dòng)器輸出的電壓、電流進(jìn)行采樣，通過(guò)周密的計(jì)算后通過(guò)穩(wěn)壓恒流與移項(xiàng)鎖項(xiàng)控制電路的執(zhí)行單元對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換以及磁放大器進(jìn)行控制。整個(gè)電路就這樣周而復(fù)始的工作，得到可靠的直流電壓電流輸出。如圖10所示。

圖10 單片機(jī)相移控制輸出圖

4 結(jié)語(yǔ)

新型LED路燈電源驅(qū)動(dòng)器通過(guò)使用扼流圈、磁放大器原件等長(zhǎng)壽命的器件對(duì)電源中紋波濾波，取代在驅(qū)動(dòng)電路中的電解電容器，同時(shí)使用MCU單片機(jī)數(shù)字控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)APC(自動(dòng)相位控制)技術(shù)輸出多相等幅多相位方波群疊加的更加平滑的直流DC電壓，解決了在整個(gè)電燈電路中的直流DC絕對(duì)存在較大電壓峰谷值的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了LED路燈所需的穩(wěn)定電壓，有效提高了LED路燈的使用壽命。目前該產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)了權(quán)威部門(mén)的性能檢測(cè)，同時(shí)在瀘州的部分企業(yè)進(jìn)行試用，目前反饋回來(lái)的用戶報(bào)告反應(yīng)壽命明顯提高

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