楊炎祥，戴初舉，周 驊，劉 橋

(1.貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.力合微電子股份有限公司，廣東 深圳 518057)

引言

近年來(lái)，節(jié)能的LED照明受到了市場(chǎng)的歡迎。但限于傳統(tǒng)LED燈具的生產(chǎn)價(jià)格高等因素影響，LED照明普及緩慢。因此，探索一種低成本的LED照明方案受到學(xué)界的關(guān)注。傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源加入功率因數(shù)補(bǔ)償電路后，成本、體積大大上升，輸出轉(zhuǎn)換效率低。本文提出一種摒棄傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源，直接采用全波整流濾波后，經(jīng)恒流二極管(CRD)驅(qū)動(dòng)LED的方法。該方法的轉(zhuǎn)換效率極高，但功率因數(shù)只60%左右，功率因數(shù)偏低，無(wú)功損耗較大，特別是戶(hù)外大功率照明等。所以需要對(duì)其進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償。

1 LED特性

LED屬于二極管的一種，其伏安特性符合式(1),由于二極管的溫度升高，導(dǎo)通電壓下降，在相同的電源電壓下，電流急劇上升。

(1)

由式(1)可知LED是負(fù)溫度系數(shù)器件。發(fā)光二極管做成照明燈具，因LED結(jié)溫升高使工作電流升高，電流升高使發(fā)熱更大，進(jìn)入惡性循環(huán)。且高溫度會(huì)使LED產(chǎn)生光衰，影響使用壽命。LED非恒定電流工作對(duì)電路的影響流程如圖1所示。

圖1 可變電流對(duì)電路的影響過(guò)程Fig.1 Impact of variable current to circuit

2 驅(qū)動(dòng)方法

LED因是單向?qū)щ娦?，做成?jié)能燈須采用直流驅(qū)動(dòng)，所以交流電必須在輸入燈珠前進(jìn)行AC/DC轉(zhuǎn)換，而轉(zhuǎn)換后會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重紋波電流。根據(jù)LED的導(dǎo)通特性,當(dāng)電壓小于導(dǎo)通電壓VLED時(shí)，LED處于熄滅狀態(tài)，因此這種導(dǎo)通-截止-導(dǎo)通的工作狀態(tài)，導(dǎo)致平均功率和亮度下降，同時(shí)產(chǎn)生100Hz的頻閃效應(yīng)。為了使LED滿(mǎn)額定功率工作同時(shí)減弱頻閃，需接入電容進(jìn)行濾波得到平穩(wěn)電壓，然后經(jīng)恒流電路輸出平穩(wěn)電流。

2.1 采用開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)LED方案

開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源的控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種，在目前開(kāi)發(fā)和使用的開(kāi)關(guān)電源電路中，絕大多數(shù)為脈寬調(diào)制型。如圖2中的框圖。

圖2 開(kāi)關(guān)電源基本電路框圖Fig.2 The common block chart of switching power circuit

交流電壓經(jīng)整流濾波電路，變成含有脈動(dòng)成份的直流電壓，經(jīng)過(guò)高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后整流濾波再將這個(gè)方波電壓變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸？刂齐娐凡糠质敲}沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓電路等構(gòu)成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開(kāi)關(guān)電源用的集成電路?？刂齐娐酚脕?lái)調(diào)整高頻開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)時(shí)間比例，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

開(kāi)關(guān)電源在輸出端接開(kāi)關(guān)管Q和電感L組成電流采樣與儲(chǔ)能電路如圖3所示。作為儲(chǔ)能元件的電感L，在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電網(wǎng)經(jīng)整流濾波電路給LED供電，且同時(shí)給電感L儲(chǔ)存能量；開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，此時(shí)電感L釋放能量，經(jīng)L-D-LED-L回路保證LED仍處于工作狀態(tài)。由于開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)LED的電流同時(shí)被采樣電路檢測(cè)到，通過(guò)比較后進(jìn)行調(diào)制脈寬，達(dá)到恒流的目的，如圖3所示。

圖3 采樣與儲(chǔ)能電路Fig.3 Sampling and storing circuit

當(dāng)開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)，電感L容易產(chǎn)生瞬間高壓或浪涌電流，可能損壞LED或者控制電路集成芯片，對(duì)于電路可靠性是一個(gè)潛在威脅。

由此可見(jiàn)，這種方案電路復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，裝配過(guò)程復(fù)雜，容易損壞，這也是LED燈具價(jià)格居高不下的原因之一。但開(kāi)關(guān)電源在LED行業(yè)上仍被大量使用，成為L(zhǎng)ED產(chǎn)業(yè)鏈的重要一環(huán)。

2.2 基于CRD的直接驅(qū)動(dòng)LED方式

根據(jù)LED的特性可知：LED負(fù)載須工作在額定的電壓及電流范圍內(nèi)。因此，在供電電壓變化的情況下，LED的驅(qū)動(dòng)電路要求能夠提供穩(wěn)定的電流，并且保證LED兩端的電壓在額定電壓范圍之內(nèi)，即LED所需的穩(wěn)壓恒流特性。當(dāng)供電電壓波動(dòng)時(shí)，經(jīng)整流濾波得到的直流電壓也是會(huì)變化的，所以L(fǎng)ED驅(qū)動(dòng)電路中必須包含恒流元件，而且要求具有很寬的工作電壓范圍。而CRD正具有恒定電流穩(wěn)定、工作電壓范圍寬等特點(diǎn)。本文提出一種基于CRD的新型驅(qū)動(dòng)電路。恒流二極管(CRD)的特性如下：

本文采用的2DHL系列CRD是一種硅材料制造的二端基礎(chǔ)電子器件，具有單向?qū)ㄐ?，輸出的恒定電流?1mA～90mA)，精度高，開(kāi)啟電壓低(3V～3.5V)，恒流電壓范圍寬(25V～100V)，響應(yīng)時(shí)間快(tr<50ns,tf<70ns)等優(yōu)點(diǎn)。恒流二極管按照正負(fù)極性接入電路中后，回路即可達(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。用法與普通二極管類(lèi)似。V-I特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖4，其實(shí)際測(cè)量輸出曲線(xiàn)見(jiàn)圖5[1]。

圖4 恒流管伏安特性曲線(xiàn)Fig.4 Curve: Ⅰ-V characteristic of CRD

圖5 實(shí)際測(cè)量輸出特性曲線(xiàn)Fig.5 Curve: actual measurement characteristic of output

由圖4、圖5可知，當(dāng)輸入電壓大于開(kāi)啟電壓時(shí)，CRD能夠在很寬的電壓區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒流，從而能保證LED正常工作。因此可以做成供電模塊或與LED一起做成模組。

3 幾種基于CRD直接驅(qū)動(dòng)LED電路及其比較

圖6 輸出特性曲線(xiàn)Fig.6 Curve: characteristic of output

3.1 CRD直接驅(qū)動(dòng)

交流市電經(jīng)過(guò)全波整流后串聯(lián)CRD，對(duì)電流進(jìn)行限定，不加濾波。電路如圖7所示。

圖7 直接驅(qū)動(dòng)式電路Fig.7 The circuit of direct drive method

這種方法驅(qū)動(dòng)LED，不含容性負(fù)載和感性負(fù)載，根據(jù)式

(2)

可知，其擁有較高的PF值。其中Q為無(wú)功功率，P為有功功率。

雖然此方案功率因數(shù)較高，電路簡(jiǎn)單，但負(fù)載存在導(dǎo)通角，且電壓和電流是紋波驅(qū)動(dòng)，其平均功率并不能達(dá)到每顆燈珠的額定功率[2]。因此這種方法驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮要達(dá)到要求的流明數(shù)，必須使用更多的燈珠，如用隆達(dá)公司生產(chǎn)的30顆額定功率0.2W燈珠，點(diǎn)亮后總功率有3.36W，比預(yù)想的功率少44%，亮度未能達(dá)到額定亮度。輸入測(cè)試見(jiàn)圖8。

圖8 電壓與電流輸入測(cè)試曲線(xiàn)Fig.8 Curve: input test of V-I

3.2 接入濾波電容的CRD驅(qū)動(dòng)

根據(jù)圖7電路，由于電流導(dǎo)通角，盡管有熒光粉的余暉效應(yīng)，仍會(huì)產(chǎn)生100Hz的頻閃。所以需通過(guò)電容C濾波方式使燈珠在任何時(shí)刻都處于導(dǎo)通狀態(tài)，提高平均功率和亮度的同時(shí)也減弱頻閃效應(yīng)。其電路見(jiàn)圖9。

圖9 帶電容濾波的驅(qū)動(dòng)電路Fig.9 Schematic of driver with capacitor filter

使用160顆3.0V/30mA的隆達(dá)燈珠、CRD選用2DHL060進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 簡(jiǎn)單電容濾波驅(qū)動(dòng)電學(xué)測(cè)量結(jié)果Table1 Electrical measurement result of driver with capacitor filter

此電路有很好的輸出轉(zhuǎn)換效率，簡(jiǎn)單，成本低[3]。雖然總功率提高，頻閃減弱，整個(gè)回路呈容性，且導(dǎo)通角比較小，相位因素cosφ1小，從而大大降低PF值。輸入端實(shí)際測(cè)量電流波形如圖10所示。

圖10 補(bǔ)償前輸入端實(shí)際電流波形Fig.10 curve: current characteristic of input before adjusting

4 對(duì)基于CRD驅(qū)動(dòng)LED電路進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償

4.1 非線(xiàn)性系統(tǒng)中功率因數(shù)的定義

式(2)是針對(duì)線(xiàn)性系統(tǒng)定義的：要求輸入輸出電壓電流都是同頻率的正弦形，否則不能采用計(jì)算相位差cosφ的方法。但是在非正弦系統(tǒng)中，因?yàn)殡妷弘娏鞑ㄐ味疾皇钦也?，所以非線(xiàn)性系統(tǒng)中的功率因數(shù)定義不能使用式(2)來(lái)定義。因?yàn)樵诜蔷€(xiàn)性系統(tǒng)里，其電流波形含有多次諧波。電路圖9和圖11中，整流后的電壓電流波形都不是正弦波，雖然整流前的電壓波形是正弦波，但是其電流波形不是正弦波。整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)非線(xiàn)性系統(tǒng)。所以傳統(tǒng)利用求相位差得功率因數(shù)的方法在此不可用。

本文采用電壓有效值和電流有效值的乘積來(lái)作為視在功率。在非線(xiàn)性系統(tǒng)中，對(duì)于非正弦波電流的有效值可以表示為

(3)

其中I1、I2、···、In為各諧波電流的有效值。

工業(yè)上定義功率因數(shù)等于實(shí)際功率與視在功率之比，即

(4)

4.2 功率因素補(bǔ)償

對(duì)于中大功率的燈或者對(duì)電網(wǎng)供電效率有特殊要求的地方，需要對(duì)其進(jìn)行PF值補(bǔ)償，使其有相對(duì)較好的功率因數(shù)。針對(duì)式(4)對(duì)功率因素的重新定義，設(shè)計(jì)電路圖。

圖11 功率因數(shù)補(bǔ)償電路Fig.11 Schematic with PF adjusting circuit

當(dāng)Vac

當(dāng)Vac≥VLED時(shí)，B-R1-D2-CRD-LED與B-R2-CRD-LED兩路對(duì)LED供電，同時(shí)B-R1-C-B回路仍對(duì)C進(jìn)行充電，LED導(dǎo)通。此后，當(dāng)Vac電壓處于回落過(guò)程時(shí)， C-D2-CRD對(duì)LED供電。D2使這兩路隔開(kāi)，相互影響小。

圖11中，當(dāng)交流市電經(jīng)過(guò)全波整流后對(duì)濾波電容進(jìn)行瞬間充電，此時(shí)，經(jīng)過(guò)R1的電流會(huì)突然陡增，特別是接入的電容值比較大的情況下，瞬間電流過(guò)大，相當(dāng)于市電電壓直接接在R1兩端，導(dǎo)致R1燒毀。此時(shí)TVS的作用是保護(hù)R1。

R1與C形成低頻濾波器，在對(duì)電容C充電的過(guò)程中，電源同時(shí)也給LED負(fù)載供電。從而使供電端在全波段都有負(fù)載電流輸出，相當(dāng)于負(fù)載端的導(dǎo)通角得到了拓寬，改善cosφ1。從而電壓與電流相位差較小。輸入端實(shí)際測(cè)量電流波形如圖12所示。

圖12 補(bǔ)償后輸入端實(shí)際電流波形Fig.12 curve: current characteristic of input after adjusting

使用160顆3.0V/30mA的隆達(dá)燈珠、CRD選用型號(hào)2DHL060進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，C的容值不同， PF值不同。結(jié)果如表2所示。

對(duì)比圖10與圖12、表1與表2可知，導(dǎo)通角明顯得到改善，整體電流變化更加平滑，電路在增加比較低的元件成本情況下，PF值得到明顯的提升，印證了電路設(shè)計(jì)預(yù)期。提升后的PF值可以符合絕大多數(shù)情況下的供電要求。

表2 對(duì)PF值補(bǔ)償后的電學(xué)測(cè)量結(jié)果Table2 Electrical measurement result after PF adjusting

5 結(jié)語(yǔ)

LED照明的功率因數(shù)與所選用的LED燈珠的導(dǎo)通角有關(guān)，與驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)性質(zhì)有關(guān)。在LED燈珠已選定的情況下，可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的改造對(duì)PF值進(jìn)行適當(dāng)提高。本文從實(shí)用工業(yè)生產(chǎn)價(jià)值出發(fā)，舍棄復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出基于CRD驅(qū)動(dòng)LED的電路，改變了傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)LED電路的設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，滿(mǎn)足LED恒流驅(qū)動(dòng)的要求，同時(shí)又對(duì)較低的功率因數(shù)進(jìn)行合理的補(bǔ)償校正，減少電網(wǎng)污染[4]。在輸出有一個(gè)平穩(wěn)的電壓的同時(shí)，依賴(lài)CRD使電流處于較為理想的恒定狀態(tài)。解決了傳統(tǒng)LED驅(qū)動(dòng)電源成本過(guò)高，克服了開(kāi)關(guān)電源的一些性能弱點(diǎn)，適合光電集成，對(duì)大功率(大于100W) LED照明，更是有明顯的優(yōu)勢(shì)。該設(shè)計(jì)對(duì)LED節(jié)能燈的普及有著積極的推動(dòng)作用。

[1] 煜立公司.2DHM/2DHL/2THL系列半導(dǎo)體電流調(diào)整管( 恒流管)產(chǎn)品手冊(cè)[M].2011.

[2] 楊永棟,劉橋,周驊.新型交流LED照明方法[J].照明工程學(xué)報(bào),2012，23(5)：85-88.

[3] 周驊，劉橋. 基于恒電流二極管的LED 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011，(6):87-90.

[4] 尹杰，邱云峰，劉橋，王義.基于恒流二極管的小功率LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J].井岡山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010(5):79-82.