【導(dǎo)讀】本文針對LED驅(qū)動電路中存在的電解電容縮減壽命的不足之處。提出一款無需電解電容的LED驅(qū)動電路設(shè)計方案。本次設(shè)計采用MIP553內(nèi)置PFC可調(diào)光LED驅(qū)動電路的芯片,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。
LED(發(fā)光二極管)以其節(jié)能、環(huán)保、高亮度、長壽命等諸多優(yōu)點成為新一代的綠色照明光源。隨著LED照明技術(shù)的日漸成熟,它終將用于生活的各個方面,并成為照明光源的新寵。然而,高效率、低成本、高功率因數(shù)和長壽命的驅(qū)動電源是LED燈發(fā)光品質(zhì)和整體性能的關(guān)鍵。
現(xiàn)在市面上替代一般燈泡的LED燈是白熾燈泡壽命的約40倍,相當于4萬小時。由于LED是直流電流驅(qū)動零件,通過流過的電流,直接將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?,因此也稱為光電轉(zhuǎn)換器。因為不存在摩擦、機械損耗,所以在節(jié)能方面比一般的光源的效率高。但是,當AC電源接通時,一般是使用整流零件和平滑回路的直流穩(wěn)定化電源,該平滑回路中必要的電解電容會因周圍的溫度及自身的發(fā)熱而上升10℃,而導(dǎo)致壽命減半所以電解電容阻礙了LED照明器具的壽命。
為了提高驅(qū)動電源的壽命、簡化電路、降低成本以及提高功率密度,有必要去掉電解電容,為此文中提出一種無電解電容的高亮度LED驅(qū)動電源。
一、LED電源的基本工作原理
采用BUCK變換器、IPD控制實現(xiàn)開關(guān)電源,輸出恒定的電流和電壓,驅(qū)動LED燈。電路的總體框圖如圖1所示。
二、LED電源的具體設(shè)計
2.1 輸入電路的設(shè)計
為了延長LED驅(qū)動電源的使用壽命,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)計指標為: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、安全保險裝置以及輸入整流裝置,如圖2所示。
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2.2 輸出電路的設(shè)計
輸出電路由基本的BUCK電路和一個穩(wěn)壓二極管DD1組成。如圖3所示。
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,is>0;在開關(guān)打開時,is=0,故is是脈動的,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LED提供工作電流。
FRD1的選擇標準: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。
2.2.2 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)斷的瞬間將會有反向電流流過IPD,而IPD是不允許有這種電流的,因為這種反向電流將會導(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)時間trr<100ns。考慮裕量,其選擇的參數(shù)為:3A/60V/75ns。
2.2.3 保護電路
MIP553內(nèi)置過壓、過流、過熱、LED短路的保護電路,但并無LED開路時保護電路的設(shè)計。LED開路時的保護電路的思想主要有穩(wěn)壓二極管保護、三極管保護、偏壓線圈保護等,考慮到成本和結(jié)構(gòu),文中選擇具有穩(wěn)壓二極管的保護電路。其電路圖如圖3所示。當LED開路時,輸出電壓上升,若輸出電路有穩(wěn)壓二極管的保護電路,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。
2.3 控制電路的設(shè)計
控制電路由MIP553及其外圍電路組成,如圖4所示。
MIP553的漏極電流由引腳CL和EX控制,因此連接這兩個引腳的電阻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,考慮到這個最大漏極電流要流經(jīng)LED,因此設(shè)置參考值時應(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的運行、抑制外部噪聲。因此,其值要選擇得當。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,參考標準值為1~10μF之間;CEX,抑制外部噪聲進入EX引腳,其參考標準值在470~1000pF之間;CCL,抑制外部噪聲進入CL引腳,如果其值太大的話,那么pF值將會受到嚴重的影響,因此其值應(yīng)小于1000pF。
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2.4 仿真結(jié)果
利用Multisim對電路進行仿真,得到的結(jié)果如圖5所示。
三、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)光標識中有著明顯的優(yōu)勢,其控制電壓低,成本低,可靠性高。雖然LED產(chǎn)品在國內(nèi)外市場有著愈演愈烈的發(fā)展趨勢,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的正向電壓會隨著電流和溫度而變化,其“色點”也會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)動電路的功率處理能力必須充足,且功能強固,可以承受多種故障條件,易于實現(xiàn)。
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