一種兼有定時(shí)變功率節(jié)能的鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電源

李順華，俞安琪，沈國雄，黃 益，黃永濤

(1.武漢市華蘭科技有限公司,湖北 武漢 430080; 2.國家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(上海),上海 201114;3.寧波艾克斯體電器有限公司,浙江 寧波 315175; 4.寧波市燈具檢測中心，寧波遠(yuǎn)東照明有限公司(實(shí)驗(yàn)室),浙江 慈溪 315331; 5.湖南貝特萊爾光電科技有限公司,湖南 常德 410000)

一種兼有定時(shí)變功率節(jié)能的鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電源

李順華1，俞安琪2，沈國雄3，黃 益4，黃永濤5

(1.武漢市華蘭科技有限公司,湖北 武漢 430080; 2.國家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(上海),上海 201114;3.寧波艾克斯體電器有限公司,浙江 寧波 315175; 4.寧波市燈具檢測中心，寧波遠(yuǎn)東照明有限公司(實(shí)驗(yàn)室),浙江 慈溪 315331; 5.湖南貝特萊爾光電科技有限公司,湖南 常德 410000)

為了滿足LED燈的綜合特性和提高驅(qū)動(dòng)電源的效率，提出了高效、低成本、高可靠的鎮(zhèn)流式LED燈的驅(qū)動(dòng)方案。本文對包括定時(shí)變功率節(jié)能在內(nèi)的該技術(shù)方案的每個(gè)功能電路和電路的可靠性進(jìn)行了分析，還對LED鎮(zhèn)流式驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，具有鎮(zhèn)流性質(zhì)的限流裝置能滿足LED燈的負(fù)溫度特性的特殊的要求。測試結(jié)果顯示，鎮(zhèn)流式驅(qū)動(dòng)電路的諧波的含量符合GB 17625.1的規(guī)定，電源效率遠(yuǎn)高于CQC 3146—2014的節(jié)能評價(jià)值，以及GB/T 24825—2009中規(guī)定的能效等級(jí)。電源端子的騷擾電壓值和輻射電磁騷擾值遠(yuǎn)低于GB17743中規(guī)定的限值。

LED鎮(zhèn)流式驅(qū)動(dòng)；換流；降功率啟動(dòng)；定時(shí)變功率；短路保護(hù)；開路保護(hù)

引言

目前，廣泛使用的大功率LED燈的驅(qū)動(dòng)電路均為開關(guān)恒流驅(qū)動(dòng)電路，而開關(guān)恒流驅(qū)動(dòng)電路是將電流多次轉(zhuǎn)換后獲得的恒定電流，在轉(zhuǎn)換的過程中能量的損失很大，換言之開關(guān)恒流驅(qū)動(dòng)電路的效率很難提高[1]。根據(jù)我國現(xiàn)有技術(shù)的LED模塊用交流電子控制裝置生產(chǎn)和使用的現(xiàn)狀，中國質(zhì)量認(rèn)證中心制定了LED 模塊用交流電子控制裝置節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范[2]。規(guī)范中的表1規(guī)定了 LED 模塊用控制裝置的效率，表中的不同類型和規(guī)格的節(jié)能評價(jià)值規(guī)定為84.5%～92%。 由于鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路是將電網(wǎng)的工頻電流通過限流、換流后直接驅(qū)動(dòng)LED模塊。所以大大提高了鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路的工作效率。檢測數(shù)據(jù)顯示，其工作效率大于95%。

由于驅(qū)動(dòng)電路的抗浪涌能力直接影響產(chǎn)品的可靠性，而具有鎮(zhèn)流性質(zhì)的限流裝置本身就具備抗瞬變電壓的能力，這種電路結(jié)構(gòu)不僅使浪涌瞬變電壓不會(huì)損壞鎮(zhèn)流式驅(qū)動(dòng)電源，LED模塊也同樣在浪涌瞬變電壓下不受影響。

因此，研究符合LED特性的驅(qū)動(dòng)電源、研究更高效率、更低成本、更高可靠性的驅(qū)動(dòng)電源，對LED模塊的應(yīng)用具有重要意義。

1 LED鎮(zhèn)流式驅(qū)動(dòng)電源的電路組成

圖1是LED鎮(zhèn)流式驅(qū)動(dòng)電源的方框圖。由圖1可知，LED鎮(zhèn)流式驅(qū)動(dòng)電源由鎮(zhèn)流電路、電壓識(shí)別電路、信號(hào)輸出電路、穩(wěn)流輸出電路、換流電路、降功率啟動(dòng)電路、功率變換電路以及保護(hù)電路構(gòu)成。圖中電網(wǎng)的工頻電流通過限流、換流后直接驅(qū)動(dòng)LED模塊，這種工作模式大大提高了鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路的工作效率。電壓識(shí)別電路、信號(hào)輸出電路、穩(wěn)流輸出電路是為滿足GB/T 24825—2009《LED模塊用直流或交流電子控制裝置性能要求》[3]中穩(wěn)定輸出電流的控制裝置的技術(shù)要求而設(shè)置的。根據(jù)穩(wěn)流電路的工作特點(diǎn)，設(shè)置了降功率啟動(dòng)電路，定時(shí)功率節(jié)能電路。在LED模塊電路中設(shè)置了LED模塊的開路保護(hù)和短路保護(hù)電路。

圖1 鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電源框圖Fig.1 Ballast LED driver power supply block diagram

2 LED鎮(zhèn)流式驅(qū)動(dòng)電源電路

2.1 鎮(zhèn)流電路

圖2為鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電源電路的原理圖。圖中，L1為鎮(zhèn)流電路中的電感鎮(zhèn)流元件。本文所述的鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電源是在氣體放電燈鎮(zhèn)流電路的基礎(chǔ)上經(jīng)技術(shù)創(chuàng)新而產(chǎn)生的。而不論是鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電源還是氣體放電燈鎮(zhèn)流器，其鎮(zhèn)流器的固有特性不會(huì)改變即當(dāng)負(fù)載電壓下降時(shí)，其鎮(zhèn)流電流因負(fù)載電壓的降低而增加，當(dāng)負(fù)載電壓上升時(shí)，其鎮(zhèn)流電流因負(fù)載電壓的上升而減小。由于LED模塊的伏安特性的溫度特性不同于一般的二極管，其變化特性要比一般的二極管大一倍即-4mV/°C。這說明LED模塊的電壓不僅受電流的控制，還受溫度的控制。LED模塊的伏安特性的溫度特性表明，即便電流完全不變，電壓在溫度改變的情況下也會(huì)改變。這里溫度改變包括二個(gè)部分，一個(gè)是環(huán)境溫度的變化，包括地域不同、季節(jié)不同。二是在工作時(shí)的結(jié)溫的變化，散熱器的好壞直接影響結(jié)溫。這二部分溫度的改變都會(huì)改變LED模塊的電壓。顯然，現(xiàn)有的恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)不能滿足LED模塊的這種特殊的要求。而鎮(zhèn)流性質(zhì)的限流裝置具有當(dāng)負(fù)載電壓(模塊電壓)變化時(shí)會(huì)自動(dòng)改變線路電流。即當(dāng)模塊電壓受溫度影響下降時(shí)增加線路電流，使模塊功率不降低。當(dāng)模塊電壓受溫度影響上升時(shí)減小線路電流，使模塊功率不上升。顯然，鎮(zhèn)流性質(zhì)的限流裝置能滿足LED模塊的負(fù)溫度特性的特殊的要求。

圖2 鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電源電路原理圖Fig.2 Ballast LED driver power supply circuit diagram

2.2 穩(wěn)流電路

在圖2的鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電路圖中，穩(wěn)流電路由接在橋式整流電路輸入端的電子開關(guān)QA1—QA3和電容C13—C33構(gòu)成。實(shí)踐表明，在圖2的鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電路的橋式整流電路的輸入端接電容 CM可以使電感鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路的電流增加。根據(jù)這一特點(diǎn)，用開關(guān)來控制電容C13—C33的接通與斷開，就能實(shí)現(xiàn)在輸入電壓變化時(shí)穩(wěn)定電感鎮(zhèn)流式LED模塊的電流。在圖2的鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電路圖中，驅(qū)動(dòng)電子開關(guān)QA1—QA3的電路由集成電路IC1—IC3以及外圍電路構(gòu)成的斯密特觸發(fā)器來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件三極管Q1—Q3和光電耦合器U1—U3，來實(shí)現(xiàn)對電子開關(guān)的控制。

控制QA1工作的元件是IC1、Q1、U1以及IC1的外圍元件。IC1為7555集成電路構(gòu)成的斯密特觸發(fā)器，圖中由二極管D9、電阻R11、R12、R13、R14、電容C12和IC1的2、6腳構(gòu)成了電壓識(shí)別電路，電阻R11、R12決定閥值電壓，電阻R13、R14決定觸發(fā)電壓，C12是D9半波整流的濾波電容。Q1、U1構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電子開關(guān)QA1的驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)IC1的3腳為高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通U1工作，QA1導(dǎo)通，鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電路的電流增加。當(dāng)IC1的3腳為低電平時(shí)，Q1截止U1停止工作，QA1截止，鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電路的電流減小。實(shí)現(xiàn)對電感鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路電流的控制。

控制QA2工作的元件是IC2、Q2、U2以及IC2的外圍元件。IC2為7555集成電路構(gòu)成的斯密特觸發(fā)器，圖中由二極管D9、電阻R21、R22、R23、R24、電容C22和IC2的2、6腳構(gòu)成了電壓識(shí)別電路，電阻R21、R22決定閥值電壓，電阻R23、R24決定觸發(fā)電壓，C22是D9半波整流的濾波電容。Q2、U2構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電子開關(guān)QA2的驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)IC2的3腳為高電平時(shí)，Q2導(dǎo)通U2工作，QA2導(dǎo)通，鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電路的電流增加。當(dāng)IC2的3腳為低電平時(shí)，Q2截止U2停止工作，QA2截止，鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電路的電流減小。實(shí)現(xiàn)對電感鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路電流的控制。

控制QA3工作的元件是IC3、Q3、U3以及IC3的外圍元件。IC3為7555集成電路構(gòu)成的斯密特觸發(fā)器，圖中二極管D9、電阻R31、R32、R33、R34、電容C32、IC3的2、6腳構(gòu)成電壓識(shí)別電路，電阻R31、R32決定閥值電壓，電阻R33、R34決定觸發(fā)電壓，C32是D9半波整流的濾波電容。Q3、U3構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電子開關(guān)QA3的驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)IC3的3腳為高電平時(shí)，Q3導(dǎo)通U3工作，QA3導(dǎo)通，鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電路的電流增加。當(dāng)IC3的3腳為低電平時(shí)，Q3截止U3停止工作，QA3截止，鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電路的電流減小。實(shí)現(xiàn)對電感鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路電流的控制。

設(shè)置電容C13—C33和開關(guān)QA1—QA3電路的目的是為了滿足GB/T 24825—2009《LED模塊用直流或交流電子控制裝置性能要求》(IEC 62384：2006)[3]中第七章7.2節(jié)具有穩(wěn)定輸出電流的控制裝置的要求。

2.3 關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

2.3.1 關(guān)于GB/T 24825—2009[3]

為了證明本文提出的LED鎮(zhèn)流式驅(qū)動(dòng)電源能符合GB/T 24825—2009《LED模塊用直流或交流電子控制裝置性能要求》(IEC 62384：2006)[3]中第七章7.2節(jié)具有穩(wěn)定輸出電流的控制裝置的要求。對于一個(gè)全新的技術(shù)，筆者認(rèn)為有必要結(jié)合圖2用實(shí)例作為論據(jù)，對具有穩(wěn)定輸出電流的控制裝置的LED鎮(zhèn)流式驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行論述。下面就以用電感鎮(zhèn)流的120W(標(biāo)稱值)，電流為700 mA(標(biāo)稱值)的LED模塊為示例，詳述LED鎮(zhèn)流式驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)流原理及穩(wěn)流過程。在額定電壓(220V)下，模塊電流為0.64A，本示例IC13的觸發(fā)電壓TR設(shè)置為大于220V，本示例優(yōu)選222V，此時(shí)開關(guān)K3是閉合的。當(dāng)電源電壓升高達(dá)到閥值電壓TH時(shí)，本示例優(yōu)選228V，開關(guān)K3關(guān)斷(關(guān)斷前0.68A)，電流減小(關(guān)斷后0.63A)。當(dāng)電源電壓繼續(xù)升高到233V時(shí)，電流為0.66A。當(dāng)電源電壓降低到222V觸發(fā)電壓TR時(shí)，開關(guān)K3再次閉合(閉合前0.60A，閉合后0.65A)。本示例IC11、IC12的閥值電壓TH設(shè)置為小于220V。IC11、IC12是兩級(jí)低電壓調(diào)節(jié)，當(dāng)電源電壓降低到IC12的觸發(fā)電壓TR時(shí)，本示例優(yōu)選212V，開關(guān)K2閉合(閉合前0.59A)，電流增大(閉合后0.64A)。當(dāng)電源電壓升高達(dá)到IC12的閥值電壓TH時(shí)，本示例優(yōu)選218V，開關(guān)K2關(guān)斷(關(guān)斷前0.68A)，電流減小(關(guān)斷后0.62A)。當(dāng)電源電壓降低到IC11的觸發(fā)電壓TR時(shí)，本示例優(yōu)選204V開關(guān)K1閉合(閉合前0.60A)，電流增大(閉合后0.64A)。當(dāng)電源電壓繼續(xù)降低到202V時(shí)，電流為0.62A。當(dāng)電源電壓升高達(dá)到IC11的閥值電壓TH時(shí)，本例優(yōu)選212V開關(guān)K1關(guān)斷(關(guān)斷前0.69A)，電流減小(關(guān)斷后0.64A)。實(shí)例的數(shù)據(jù)證明，LED鎮(zhèn)流式驅(qū)動(dòng)電源完全符合GB/T 24829—2009《LED模塊用直流或交流電子控制裝置性能要求》(IEC 62384：2006)[3]中第七章7.2節(jié)具有穩(wěn)定輸出電流的控制裝置的要求。

2.3.2 關(guān)于CQC 3146—2014[2]

中國質(zhì)量認(rèn)證中心，根據(jù)我國現(xiàn)有技術(shù)的LED模塊用交流電子控制裝置生產(chǎn)和使用的現(xiàn)狀制定了LED 模塊用交流電子控制裝置節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范[2]，規(guī)范的表1規(guī)定了 LED 模塊用控制裝置的效率，表中的不同類型和規(guī)格的節(jié)能評價(jià)值為84.5%～92%。經(jīng)測試(表1，表2)，鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路的電源效率為0.953，遠(yuǎn)高于該技術(shù)規(guī)范的規(guī)定值。

2.3.3 關(guān)于GB 17625.1[4]

圖2所示的鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電源電路的主回路是電網(wǎng)工頻電流通過L1鎮(zhèn)流電路、換流后直接驅(qū)動(dòng)LED模塊，這如鎮(zhèn)流式氣體放電燈電路類似，也就是說鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電源是在氣體放電燈鎮(zhèn)流電路的基礎(chǔ)上經(jīng)技術(shù)創(chuàng)新而產(chǎn)生的。在電感鎮(zhèn)流的氣體放電燈(如熒光燈、高壓鈉燈等)的電路中，線路的功率因數(shù)都很低(一般在0.5左右)，由于是感性的低功率因數(shù)，要獲得高的功率因數(shù)就須增加補(bǔ)償電容。然而，通過增加補(bǔ)償電容后，電感鎮(zhèn)流的氣體放電燈電路的功率因數(shù)是提高了，但是電路的諧波也增加了，原因是氣體放電燈在過零后都需要一個(gè)高的再燃電壓，在補(bǔ)償電容和電感鎮(zhèn)流器以及燈的諧振電路里，再燃尖峰電壓形成了大量的諧波，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了GB 17625.1[4]中對諧波規(guī)定。這說明電感鎮(zhèn)流的氣體放電燈電路要想達(dá)到3C的技術(shù)要求即認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中GB 17625.1[4]的技術(shù)要求，電感鎮(zhèn)流的氣體放電燈電路就只能在低功率因數(shù)(也就是說不能加補(bǔ)償電容)的工況下運(yùn)行。這也是目前廣泛使用的氣體放電燈用的電感鎮(zhèn)流器產(chǎn)品標(biāo)識(shí)上補(bǔ)償電容用虛線標(biāo)注的原因。由于本文所述的電感鎮(zhèn)流的驅(qū)動(dòng)電路的橋式整流的橋臂輸出電壓為方波。所以，對電感鎮(zhèn)流的驅(qū)動(dòng)電路的功率因數(shù)進(jìn)行電容補(bǔ)償，其諧波的含量也完全滿足GB 17625.1[4]中相應(yīng)的諧波規(guī)定要求。

表1 綜合特性測試報(bào)告

表2 輸入特性測試報(bào)告

2.3.4 關(guān)于GB 17743[5]

表3是240W鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電源的電源端子的騷擾電壓限值和測量值。表中的數(shù)據(jù)顯示其各個(gè)不同頻段的測量值均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。

表3 240W電源端子騷擾電壓限值和測量值

表4是240W鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電源的輻射電磁騷擾的限值和測量值。表中的數(shù)據(jù)顯示，環(huán)1為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值的14%，環(huán)2為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值的13%，環(huán)3為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值的14%。幾乎無輻射電磁騷擾。在GB 17743[5]中，CDN法的限值被認(rèn)為是最難達(dá)到的指標(biāo)，而鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電源的測量值也僅為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值的51%～65%。這種優(yōu)異的安全性能表明，鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電源能適應(yīng)要求較高的場合。

2.3.5 關(guān)于GB/T 17626.5[6]

GB/T 17626.5[6]規(guī)定的是設(shè)備對由開關(guān)和雷電瞬變電壓引起的單極性的浪涌(沖擊)的抗擾度。對于LED鎮(zhèn)流式驅(qū)動(dòng)電源電路而言，從圖2的電路可知，該電路的主回路由電感鎮(zhèn)流器和換流電路構(gòu)成。也就是說主回路的控制元件為電感鎮(zhèn)流器。GB/T 17626.5[6]規(guī)定的是抗雷電瞬變電壓的能力，而電感鎮(zhèn)流器本身就具備抗瞬變電壓的能力，這種電路結(jié)構(gòu)不僅使浪涌瞬變電壓不會(huì)損壞鎮(zhèn)流式驅(qū)動(dòng)電源，LED模塊也同樣在浪涌瞬變電壓下不受影響。

2.4 換流電路及保護(hù)電路

2.4.1 換流電路

換流電路是LED鎮(zhèn)流式驅(qū)動(dòng)電源電路與氣體放電燈鎮(zhèn)流電路的區(qū)別所在。換流電路由D1-D4構(gòu)成，換流電路是將經(jīng)過鎮(zhèn)流的交流電流轉(zhuǎn)換成LED模塊所需要的直流電流。

2.4.2 開路保護(hù)電路

在鎮(zhèn)流電路的輸出端和整流電路的輸入端之間接有用于當(dāng)鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路的輸出端出現(xiàn)開路時(shí)切斷整流和負(fù)載電路的開關(guān)K(如圖2所示)。該方案有效地解決了LED開路時(shí)異常工況給濾波電容C5帶來的威脅。實(shí)現(xiàn)該方案的電路是在整流、濾波電路的兩端設(shè)置有當(dāng)負(fù)載開路時(shí)的檢測電路。在直流電源VCC的兩端接有根據(jù)所檢測到的開路保護(hù)信號(hào)來驅(qū)動(dòng)開關(guān)K動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)電路。

表4 240W輻射電磁騷擾的限值和測量值

檢測電路由接在LED兩端的電阻RD、穩(wěn)壓二極管DZC、和光耦U1的輸入端構(gòu)成。其中電阻RD、穩(wěn)壓二極管DZC、和光耦U1的輸入端相互串聯(lián)后電阻RD的一端接整流、濾波的E+端，串聯(lián)電路的另端接整流、濾波的E-端。

驅(qū)動(dòng)電路由電阻R48、光耦U1的輸出端、可控硅Q5、電阻R47和同短路保護(hù)共用的繼電器J和二極管D11構(gòu)成。其中電阻R48同光耦U1的輸出端的集電極相互串聯(lián)后，電阻R48的另一端接電源VCC，光耦U1的輸出端的發(fā)射極接可控硅Q5的控制極，可控硅Q5的負(fù)極接電源N端，電阻R47接在可控硅Q5的控制極和負(fù)極之間?？煽毓鑁5的正極接與短路保護(hù)共用的繼電器J，繼電器J的另一端接電源VCC，二極管D11接在繼電器J的兩端。

開路保護(hù)電路工作原理為：當(dāng)鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)載開路即串聯(lián)的LED模塊從驅(qū)動(dòng)電路中斷開時(shí)，驅(qū)動(dòng)電源的整流電路的輸出電壓會(huì)由于負(fù)載開路而升高，當(dāng)整流電路的輸出電壓高于穩(wěn)壓二極管DZC的穩(wěn)壓值時(shí)，穩(wěn)壓二極管DZC反向擊穿，使光耦U1的輸入端有電流流過，光耦U1的輸出端導(dǎo)通，可控硅Q5的觸發(fā)電流通過電阻R48加到可控硅Q5的控制極，使可控硅Q5導(dǎo)通?？煽毓鑁5導(dǎo)通使與短路保護(hù)共用的繼電器J的線圈得電，繼電器J的觸點(diǎn)開關(guān)K動(dòng)作，切斷整流和負(fù)載電路。電阻RD作用是限制穩(wěn)壓二極管DZC的電流，穩(wěn)壓二極管DZC的穩(wěn)壓值必需高LED模塊電壓。原則是LED模塊正常工作時(shí)，穩(wěn)壓二極管DZC不擊穿。

2.4.3 短路保護(hù)電路

在圖2的鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電路圖中，當(dāng)LED短路時(shí)，輸入電壓直接加在鎮(zhèn)流電感的兩端，使電路電流增大。增大的電流會(huì)超過換流電路中的整流二極管的設(shè)計(jì)值，同時(shí)也對鎮(zhèn)流電感不利。因此，在鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電源電路中，對LED短路的異常工況也必須采取有效的短路保護(hù)措施。

在鎮(zhèn)流電路的輸出端和整流電路的輸入端之間接有用于當(dāng)鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路的輸出端出現(xiàn)短路時(shí)切斷整流和負(fù)載電路的開關(guān)K(同開路保護(hù)共用的開關(guān)如圖2所示)。該方案有效地解決了LED短路時(shí)異常工況給鎮(zhèn)流電感和換流電路中的整流二極管帶來的威脅。實(shí)現(xiàn)該方案的電路是在供電輸入的N端與整流、濾波電路即E+的兩端設(shè)置有當(dāng)負(fù)載短路時(shí)的檢測電路。在直流電源VCC的兩端接有根據(jù)所檢測到的短路保護(hù)信號(hào)來驅(qū)動(dòng)開關(guān)K動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)電路。

檢測電路由電阻R49和二極管D10構(gòu)成，電阻R49和二極管D10串聯(lián)，一端接整流輸出的E+，串聯(lián)電路的另端接IC4的6腳。

驅(qū)動(dòng)電路由IC4、二極管D9、電阻R41、R42、R43、R44、R46、電容C42、三極管Q4、繼電器K1、二極管D11以及IC4的外圍元件構(gòu)成。

短路保護(hù)電路工作原理為：當(dāng)鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)載短路即串聯(lián)的LED模塊短路或整流濾波電路短路時(shí)，整流電路的輸出端即結(jié)點(diǎn)E+和E-之間的電阻零(等電位)，二極管D10通過電阻R49和整流橋臂D2和N導(dǎo)通，使IC4(IC4為7555集成電路構(gòu)成的斯密特觸發(fā)器)的2、6腳電位下降，該狀態(tài)下的2腳電壓低于觸發(fā)器的觸發(fā)電壓，集成電路IC4的3腳輸出高電壓。該電壓經(jīng)過電阻R46使晶體管Q4導(dǎo)通，晶體管Q4的導(dǎo)通使與開路保護(hù)共用的繼電器J的線圈得電，繼電器J的觸點(diǎn)開關(guān)K動(dòng)作，切斷整流和負(fù)載電路。圖中電路二極管D11為Q4的保護(hù)二極管。鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路正常工作時(shí)，E+為高電位，D10反偏截止。由二極管D9、電阻R41、R42、R43、R44和電容C42將IC4的6腳的電壓控制在閾值電壓以上。使IC4的3腳在鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路正常工作時(shí)輸出低電平。

2.5 降功率啟動(dòng)電路

在鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路中，由于穩(wěn)流電路所使用的集成電路IC1～I(xiàn)C3的輸入端為壓控器件，設(shè)在電源輸入端的取樣電阻很大，開機(jī)后濾波電容即C12、C22、C32兩端的電壓上升很慢，集成電路IC的2腳電壓低于觸發(fā)電壓TR，輸出端的邏輯電路為1(高電位)。由圖2可知，此時(shí)接在橋式整流電路輸入端的的電容C1、C2、C3(通過R1)是接通的，電感鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電源的電流大于設(shè)定的工作電流。開機(jī)時(shí)的大電流給電感鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電源帶來缺憾。

在圖2中，如果在開機(jī)后濾波電容即C12、C22、C32的充電階段，讓晶體管Q1、晶體管Q2、晶體管Q3在此充電階段截止。就可以使電感鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電源在開機(jī)時(shí)電流小于設(shè)定的工作電流。為了解決電感鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電源在開機(jī)時(shí)電流大而帶來的缺憾，本文提出了讓晶體管Q1、晶體管Q2、晶體管Q3在開機(jī)時(shí)不工作的技術(shù)方案，讓電感鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電源降功率啟動(dòng)。實(shí)現(xiàn)該方案的電路是讓圖2中的晶體管Q1、晶體管Q2、晶體管Q3的發(fā)射極通過可控硅T4接地，通過控制可控硅T4的導(dǎo)通時(shí)間來實(shí)現(xiàn)降功率啟動(dòng)。該降功率啟動(dòng)電路由可控硅T4、電阻R47、電容C4構(gòu)成。晶體管Q1、晶體管Q2、晶體管Q3的發(fā)射極接可控硅T4的陽極，電阻R47的一端與可控硅T4的陽極結(jié)點(diǎn)相連接，電阻R47的另一端與電容C4的正極、可控硅T4的控制極相連接，電容C4的正極和可控硅T4的負(fù)極接N端。

降功率啟動(dòng)電路的工作原理為：開機(jī)后由于濾波電容即C12、C22、C32兩端的電壓上升很慢，集成電路IC1～I(xiàn)C3的2腳電壓低于觸發(fā)電壓TR，輸出端的邏輯電路為1(高電位)即IC1～I(xiàn)C3的3腳為高電位，但由于此時(shí)可控硅T4未達(dá)到導(dǎo)通的條件，Q1～Q3不工作，電子開關(guān)關(guān)斷。此時(shí)，電感鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電源電流小于設(shè)定的工作電流。當(dāng)電容C4通過VCC→R17→Q1的發(fā)射結(jié)→R5和VCC→R27→Q2的發(fā)射結(jié)→R5和VCC→R37→Q3的發(fā)射結(jié)→R5這三條支路對C4充電，當(dāng)C4上的電壓上升到能使可控硅T4觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電路即回到設(shè)計(jì)時(shí)的正常工作模式。從開機(jī)到可控硅T4觸發(fā)導(dǎo)通的時(shí)間可設(shè)置為1～2s。

2.6 鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電源的定時(shí)變功率電路

無論是高壓鈉燈還是LED燈，在用于道路照明時(shí)，都需要采用到了午夜以后實(shí)行定時(shí)變功率的工作模式。這種工作模式既省電又能延長燈具的使用壽命。鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電源的定時(shí)變功率采用下述技術(shù)方案。

1)鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電源的定時(shí)變功率的定時(shí)電路。實(shí)現(xiàn)按設(shè)定時(shí)間輸出控制指令的電路很多，本文以低功耗8引腳 8 位閃存可編程單片機(jī)PIC12F508為例，簡要說明定時(shí)控制電路。

圖3 PIC12F508封裝形式Fig.3 The package form of PIC12F508

圖3是PIC12F508的封裝形式及引腳功能示意圖。在圖2的電路中，IC5為PIC12F508，1、8腳為電源供電端，7腳為輸出。

2)鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電源定時(shí)功率變換電路。實(shí)現(xiàn)鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電源定時(shí)功率變換主要是通過控制 C33和CM的接通與斷開來完成的。K2接通 C33和CM為正常工作模式，K2斷開 C33和CM為節(jié)能變功率運(yùn)行工作模式。PIC12F508控制Q6，Q6控制K2，從而鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電源的定時(shí)功率變換。

2.7 直流供電路及附加電路

1)直流供電路。在穩(wěn)流電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)電路中，因?yàn)轵?qū)動(dòng)信號(hào)是由取樣電路獲得的變化量在斯密特觸發(fā)器的輸入端與斯密特觸發(fā)器的電源電壓VDD進(jìn)行比較而得出的。因此，要求VDD的變化量越小越好。而驅(qū)動(dòng)電路、狀態(tài)轉(zhuǎn)換的執(zhí)行電路供電路則對電壓穩(wěn)定度要求不高且電流相對較大。由于這些電路對供電電源的要求不同，在圖2的鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)用電路中，使用了兩組直流供電路。由于集成電路IC1—IC3構(gòu)成的斯密特觸發(fā)器，對直流供電路的要求嚴(yán)格。而對應(yīng)的穩(wěn)流電路及保護(hù)電路中的驅(qū)動(dòng)電路對直流供電路的要求不嚴(yán)格。集成電路IC1—IC3所需要的供電電流小(單個(gè)僅需uA級(jí)電流)但要求嚴(yán)格，對應(yīng)的穩(wěn)流電路及保護(hù)電路中的驅(qū)動(dòng)電路需要的供電電流大的要求不嚴(yán)格。在兩種不同要求的直流供電路中，如果采用一組直流供電路則會(huì)降低整個(gè)電路系統(tǒng)的電源效率。因此，為了更好地滿足電路要求，本文所述的鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路使用了電流大小不同的兩組直流供電路。

2)附加電路。圖2中的F是保險(xiǎn)管，RV是壓敏電阻，RF是放電管。RV和RF構(gòu)成防浪涌、雷擊電路。圖2中的C為功率因數(shù)補(bǔ)償電容。

3 鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路的可靠性分析

3.1 電路的可靠性分析

本文所述的鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電源是在氣體放電燈鎮(zhèn)流電路的基礎(chǔ)上經(jīng)技術(shù)創(chuàng)新而產(chǎn)生的，其主要部件(也是電路電流的主回路)仍然為電感鎮(zhèn)流器。電感鎮(zhèn)流器在氣體放電燈行業(yè)延用了幾十年，被公認(rèn)為是氣體放電燈中最可靠的器件。因此，本文所述的鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電源中所使用的電感鎮(zhèn)流器的可靠性當(dāng)然也是毋庸置疑的。

對于鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)的控制電路，從圖2可知，鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電路的控制電路的核心電路即穩(wěn)流電路是接在橋式整流電路輸入端的，由穩(wěn)流電路的工作原理可知，受控電流對于工作電流而言非常小，屬于弱電控制，這樣的工作模式對穩(wěn)流電路來說，可靠性同樣也是毋庸置疑的。

對于鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路所使用的電子元件來說，對普通的電子元件如二極管、三極管、集成電路、電阻等只要設(shè)計(jì)合理就能滿足可靠性要求。在圖2的電路中，本文只對電路中使用的電容的可靠性進(jìn)行說明。圖2中使用了四種電容。第一種是陶瓷電容有C11、C21、C31、C41。第二種是鉭電解電容有C12、C22、C32、C42、C2、C4。第三種是金屬化聚丙烯薄膜電容有C、C1、C3、CM、C13、C23、C33。這三種電容都具備高可靠性。第四種是鋁電解電容，僅有C5為鋁電解電容，而C5是為了減小LED紋波而設(shè)置的，其容量的變化不會(huì)對電路的工作產(chǎn)生影響，也就是說鋁電解電容C5不影響鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。

3.2 電路的抗浪涌能力

由于驅(qū)動(dòng)電路的抗浪涌能力直接影響產(chǎn)品的可靠性，在本文的2.3.5關(guān)于GB/T 17626.5[6]章節(jié)里，對照檢測報(bào)告分析了抗瞬變電壓的能力。測試結(jié)果和分析了結(jié)論都說明鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路是可靠性的。

綜上所述，在LED模塊的壽命期間，鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路的可靠性是有保障的。

4 結(jié)束語

對包括定時(shí)變功率節(jié)能在內(nèi)的LED鎮(zhèn)流式驅(qū)動(dòng)電源的每個(gè)功能電路和電路的可靠性進(jìn)行了分析，還對LED鎮(zhèn)流式驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)品進(jìn)行了測試。測試結(jié)果顯示，用鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路在線路功率因數(shù)為0.969的情況下，諧波的含量符合GB 17625.1[4]中相應(yīng)的諧波規(guī)定要求。鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路的電源效率的測試結(jié)果為0.953，遠(yuǎn)高于CQC 3146—2014《LED模塊用交流電子控制裝置節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范》[2]的節(jié)能評價(jià)值，以及GB/T 24825—2009《LED模塊用直流或交流電子控制裝置性能要求》[3]中規(guī)定的最高能效等級(jí)。《規(guī)范》中的表 1除規(guī)定了 LED 模塊用控制裝置的效率外，表中還規(guī)定了不同類型和規(guī)格的輸出電流/電壓紋波限值，該限值規(guī)定為5%～15%。用鎮(zhèn)流式LED模塊的驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流/電壓紋波限值的測試結(jié)果為1.9%，小于規(guī)范中的規(guī)定值。LED鎮(zhèn)流式驅(qū)動(dòng)電源還具有優(yōu)異的安全性能和抗瞬變電壓的能力，增加了該技術(shù)在使用過程中的可靠性[7]。LED鎮(zhèn)流式驅(qū)動(dòng)電源的電源端子的騷擾電壓值和輻射電磁騷擾值遠(yuǎn)低于GB 17743[5]中規(guī)定的限值。這種優(yōu)異的安全性能表明，鎮(zhèn)流式LED驅(qū)動(dòng)電源能適應(yīng)要求較高的場合。

綜上，本文提出的用鎮(zhèn)流方式驅(qū)動(dòng)LED模塊的全新技術(shù)方案，將對LED光源的推廣應(yīng)用產(chǎn)生積極的影響。

[1] 孫明坤，周佳維，羅全明，等. LED光電模型及其應(yīng)用[J]. 電源技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，3(1)：15-19.

[2] LED模塊用交流電子控制裝置節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范:CQC 3146—2014[S].

[3] LED模塊用直流或交流電子控制裝置性能要求:GB/T 24825—2009[S].

[4] 電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值(設(shè)備每相輸入電流≤16A):GB 17625.1—2012[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

[5] 電氣照明和類似設(shè)備的無線電騷擾特性的限值和測量方法:GB 17743—2007[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[6] 電磁兼容試驗(yàn)和測量技術(shù)浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn):GB/T 17626—2006[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[7] 李順華，沈國雄，黃益.大功率LED燈用的鎮(zhèn)流式驅(qū)動(dòng)電源[J].照明工程學(xué)報(bào)，2015，26 (5)：84-87.

One Kind of Saving Both the Timing Variable Power Ballast LED Driver Power Supply

LI Shunhua1， YU Anqi2， SHEN Guoxiong3, HUANG Yi4, HUANG Yongtao5

(1.Wuhan Hualan Technology Co., Ltd, Wuhan 430080, China; 2.National Electric Light Source QualitySupervisionandInspectionCenter(Shanghai),Shanghai201114,China;3.NingboAixBodyElectricCo.,Ltd.Ningbo315175,China; 4.NingboLampTestCenter,NingboFarEastLightingCo.,Ltd. (Lab)，Cixi315331,China;5.BeitLyleHunan,OptoelectronicsTechnologyCo.,Ltd.，Changde410000,China)

In order to meet the integrated nature of the LED lamp drive power and improve efficiency,Proposed an efficient, low-cost, highly reliable ballasted LED lamp driving scheme. In this paper, the reliability of each functional circuitry and includes timing variable power saving technology, including the program are analyzed, Also ballasted LED driver power supply products for the experiments and tests, the experimental results show, Limiting device having a ballast properties to meet the negative temperature characteristic LED lights special requirements. The test results show that the harmonic content of the ballast type driving circuit compliance GB 17625.1 of Evaluating values of energy efficiency is much higher than the power CQC 3146—2014, and the highest energy efficiency class GB/T 24825—2009 stipulated. Voltage and electromagnetic radiation harassment harassment terminal power value is far below the GB 17743 limits specified.

LED ballast type driving; commutation; lower power start; timed variable power; short circuit protection; open circuit protection

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.022