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作为“第二代光源”代表的荧光灯的原理是由电子流激发汞原子并使其发出紫外光子,这些光子激发荧光粉发出可见光。
虽然比白炽灯省电,但由于受到紫外线转换为可见光效率的制约,光效提高受到限制,且存在电磁污染、使用寿命短、易碎等缺点。
现已逐渐被更高效更节能的紧凑型荧光灯,即通常所说的节能灯所取代。
作为“第三代光源”代表的高强度气体放电灯,主要包括高压钠灯、高压汞灯、金属卤化物灯。
这几种灯发光原理基本相同,但光输出量不同。
高压汞灯和高压钠灯的发光效率相对比较低,显色性较差且寿命较短。
而金属卤化物灯具有光效高、显色性好和发光集中等优点,现仍广泛应用于机场、车站、港口、体育场馆及城市亮化工程的泛光照明和景观照明。
随着新一代半导体材料的出现和发光二极管封装等技术的突破,单晶片红、绿、蓝、白光LED的功率等级和发光效率的不断提高,LED将成为“第四代光源”。
LED是电光源发展的又一次全新革命和重大突破,从根本上改变了光源发光的原理,LED具有光效高、光色全、寿命长、环保、尺寸小等优点,能够应用在各种各样的彩色和白色照明领域。
LED光源不仅能提升照明质量和效果,还能够节约能源,改善环境污染,因此积极研究LED照明技术具有重大的经济效益和深远的社会意义。
二、课题研究的意义和目的
(1)课题研究的目的:
通过全球LED技术领导厂商对材料、工艺和封装技术的努力改进,高亮度LED的发光效率和性能得到了显著提升。
除了传统的背光和显示面板市场外,高亮度LED开始走向室内、室外普通照明、汽车内外照明、探照灯、交通灯等全新应用,LED照明灯具使用量也越来越多。
2008年北京奥运会,2009年国庆60周年庆典,2010年上海世博会上都使用了大量的LED,让人们对LED有了全新的认识,有力推动了中国半导体照明产业的发展。
当然,可靠的光源需要可靠的驱动电源为其提供安全、可靠、长时间稳定的电压和电流。
由于LED需要低压恒流的高精度直流电源供电才能正常工作并发挥其优势,因此开发安全、可靠、高效、体积小、寿命长的LED驱动电源成为必然的趋势。
在LED大放异彩的同时,LED驱动电源是LED产业链发展的保障,LED驱动电源的品质会直接影响LED产品的可靠性,因此,在LED产业链逐步完善的今天,驱动电源的成熟也至关重要。
就LED驱动电源企业而言,2009年100W左右大功率电源市场的增幅有很大的提升,源于100W左右的LED光源与传统照明光源相比有着更突出的性价比,以及很快形成产业规模的LED路灯和景观照明市场[1]。
(2)课题研究的意义
在市场一片繁荣的背景下,LED产品质量良莠不齐,对驱动电源的要求混乱。
市场上LED产品如火如荼的发展态势下,驱动电源企业面临几个挑战:
(1)驱动电路整体寿命,尤其是关键器件如功率开关器件、电解电容等在高温下的寿命直接决定了电源的寿命。
(2)驱动电源应挑战更高的转换效率,尤其是在驱动大功率LED时更是如此。
其中没转化成光能的能量以热量耗散,电源转换效率过低,加上温升严重影响LED节能效果。
(3)采用大调光比的方法高效率对LED调光,能够同时保证在高、低亮度时颜色特性恒定。
(4)降低成本,目前在功率较小(1~5W)的应用场合,恒流驱动电源成本所占的比重已经接近1/3,已经接近了光源的成本,一定程度上影响了市场推广。
综上所述,为了推动绿色照明LED产业的发展,确保LED光源能够安全、可靠、长寿命的运行,必须开发与之相配套的驱动电源。
三、主要内容
(1)LED电气特性与连接方式
LED作为照明光源具有体积小、耗电小、发热小、寿命长、响应速度快、安全低电压、耐候性好、方向性好等优点。
Ø
LED电气特性
①伏安特性
伏安特性是表示LED管芯PN结性能的主要参数,LED的伏安特
性具有非线性和单向导电性,即外加正向偏压时表现为低电阻,反之为高电阻,如图
(1)所示。
同时图
(1)中显示出了不同高功率LED之间甚至是从同一产品批次中随机挑选的LED之间的正向电流电压特性的差异。
由图
(1)可以看出,恒定的电压驱动下,不同的LED上流经的正向电流不同,而且LED导通后,外加电压的较小变动都将引起LED电流的很大变化。
在正向工作区,工作电流IF与外加电压呈指数关系:
式中,IS为反向饱和电流。
IF为正常发光时的导通电流值。
②允许功耗
假设流过LED的电流为IF,导通压降为VF,则LED的功耗为P=VF×
IF。
当LED工作若外加偏压、偏流一定,则会导致PN结内的一部分载流子复合释放出光子,还有一部为热量,使PN的结温度升高。
若结温为Tj,外部环境温度为Ta,则当Tj>
Ta时,LED内部的热量借助管的基座向外释放,散发的热量可表示为:
式中,KT为热阻。
图
(1)LED伏安特性曲线图
(2)LED响应时间特性图
③响应时间
LED的响应时间是标志反应速度的重要参数,尤其是在脉冲驱动或是电压调制时显得非常重要。
响应时间是指输入正向电流后LED开始发光(上升)和熄灭(衰减)的时间。
从使用角度来说,响应时间就是LED点亮与熄灭所延时的时间,如图
(2)所示。
LED的点亮时间tr是指从接通电源使发光亮度达到正常值的10%开始,一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。
LED的熄灭时间tf是指从正常发光到发光亮度减弱至原来的10%所经历的时间。
在设计信息化,智能化光源系统时,响应时间是重要的关键参数,响应时间的长短与LED的生产工艺和材料本身有关。
LED连接方式
由于单个LED的功率较小,因此大多数应用场合中,必须将几十个甚至上百个LED组合到一起才能达到照明需要,还要通过驱动电路供电的方式才能正常工作。
作为驱动电路的负载,LED的连接形式直接关系到可靠性和使用寿命。
通常有三种连接方式:
串联连接、并联连接、串并混合连接。
①串联连接方式
LED采用串联方式的的连接图如图(3)所示,由于所有LED正极对负极连接成一串,所以适用于恒流式LED驱动,当一颗或者几颗LED短路时,驱动电源输出电流仍保持不变,不影响剩余的LED正常工作,这是串联连接方式的优点。
缺点是采用恒压式LED驱动时,发生LED短路时,相当于整串LED的电阻减小,由于驱动电源输出电压不变,输出电流将升高,且分配给剩余的LED两端电压将升高,容易损坏所有剩余的LED。
另一个缺点在于,发生LED断路的情况下,整串LED都不能工作。
图(3)串联连接方式图(4)并联连接方式
②并联连接方式
并联方式要求LED驱动电源输出较大电流,负载电压较低,分配在所有LED两端的电压相同。
如图(4)所示,当LED的差异性较大时,通过每颗LED的电流不一致,LED的亮度及颜色会变化,由于LED是负温度特性,导致亮的更亮,暗的更暗。
当电流超出限定电流时,光衰很快。
并联连接方式适用于恒压式LED驱动,但要要求LED差异性小。
发生LED断路的情况时,不影响其它LED正常工作。
如果并联的LED数量较多,也可采用恒流LED驱动,某一颗LED发生断路时,分配给剩余的LED的电流变化不大,不至于影响剩余LED正常工作。
但多颗LED同时断路时,由于电流变化过大,会加速LED的损坏。
不管是采用恒流还是恒压驱动,任何一颗或多颗LED短路时,都有损坏驱动电源的危险。
3串并混合连接方式
串并混合连接方式是目前采用最多的LED连接方式。
前面提
到,为达到照明的要求,要将几十个甚至上百个LED集中封装,如果所有LED串联,则需要LED驱动电源输出较高的电压;
如果所有LED并联,则需要较大的驱动电流。
将所有LED串联或者并联,不仅LED的使用量受到限制,而且较高的驱动电压或者电流,安全系数难以保证,驱动电源成本也会增加。
解决方法是采用串并混合连接,通常采用先串后并的方式,如图(5)所示,线路简单、亮度稳定、可靠性高,并且对LED的一致性要求较低。
即使个别LED失效,也对整个LED阵列影响较小。
图(5)混合连接方式
(2)单端反激式变换器工作模式分析
单端反激式变换器是一种隔离型变换器,可根据变压器磁芯的磁通量情况,分为连续模式(CCM)、断续模式(DCM)、临界模式(BCM)
。
其工作波形如图(6)所示,Φ为变压器磁芯的磁通,Ip为初级绕组电感电流,Is为次级绕组电感电流。
(a)连续模式(b)断续模式(c)临界模式
图(6)单端反激式变换器工作波形
在CCM模式下,一个周期开始时,变压器磁通不为零,仍有剩余能量,每个周期内,开关管导通期间所增加的能量等于截止期间释放到次级的能量。
在DCM模式下,导通期间存储在初级绕组中的能量,在下一个周期开始前完全传递到次级和负载上,在次级电流回零
时刻和下一个周期的开始之间的存在一个死区时间。
BCM模式下,下一个周期开始时,次级电流刚好为零,导通期间存储的能量刚好全部传输给次级。
反激变换器可以工作在三种模式下,但特性不同,应用场合不同,DCM模式因负载变化引起的占空比调节范围很大,从而增大了调节难度,系统也不容易稳定,因此DCM模式通常输出功率也很小的场合,在小功率场合常用的是断续工作模式,大中功率场合常用的是连续工作模式。
其次,DCM模式下,一方面,变压器初级具有更高的电流峰值,在关断期间具有更高的输出电压尖峰,输出纹波较大;
另一方面,负载瞬态响应更快,初级感抗更小,变压器更小,二极管的反向恢复时间不是十分重要,因为在施加反向电压之前正向电流已经是零,传导EMI噪声比较小,因为开关管是零电流导通。
在CCM模式下,一方面,变压器的体积比较大,系统在右半平面有零点,必须大幅降低带宽才能使反馈环稳定,开关管会产生较大的开关损耗,二极管的反向恢复问题对电路的影响很大,降低了电路的效率。
临界模式下,具有DCM模式下的特点,而且由于没有死区时间,可以使变换器工作在更高的频率,提高电能转换速率,缩小变压器体积。
(3)有源功率因数校正的实现
①采用有源功率因数校正的原因
常用的开关电源,一般都是由220V市电供电的。
市电220V交流电经过整流和大电容滤波,得到一个较为平滑的直流电压。
整流-大电容滤波电路是一种非线性元件和储能元件的组合,如图7(a)所示;
因此,虽然输入交流电电压是正弦的,但输入交流电流的波形却发生了严重的畸变,呈窄脉冲状,如图7(b)所示。
由此可知,电容滤波的整流电路,会使市电电网输入电流产生严重畸变的非正弦(窄脉冲)电流,其谐波电流对市电电网有危害作用,并使开关电源的输入功率因数下降。
图7整流-电容滤波电路及其工作波形
窄脉冲电流,含有大量的谐波,使开关电源的谐波噪声增大。
谐波含量的丰富程度可以用“总谐波畸变”(TotalHarmonicDistortion,THD)来表示。
同时在整流电路的输入端用滤波器滤波,既增加了开关电源的造价,也使开关电源的体积重量增大。
在电子仪器、设备中开关电源大量的谐波电流倒流入市电电网,会造成对市电电网的谐波污染,一方面会产生二次效应,即电流流过线路阻抗造成谐波电压降,反过来也使电网电压(原来是正弦波)发生畸变;
另一方面还可能会造成电路故障,使变电设备损。
②功率因数校正定义
功率因数一词,源于基本的交流电路原理。
当正弦波交流电源给感性或容性负载供电时,负载电流也是正弦的,但是比输入的电压滞后或超前一个角度
若输入电压有效值为U,输入电流有效值为I,则电网输入的视在功率为UI。
但实际传送到负载的功率只有UI
与负载电阻的电压同相位的输入电流分量I
向负载提供功率。
与负载电阻的电压垂直的电流分量I
不向负载提供功率。
在电工学上将实际传送到负载的功率UI
与电网输入的视在功率UI之比称为功率因数(PowerFactor,PF),并用
表示,即
式中,
为正弦电压与正弦电流之间的相角差。
由于整流电路中二极管的非线性,尽管市电输入电压为正弦,但输入电流却发生了相位的变化和波形的严重畸变。
因此线性电路(纯正弦电压和电流的电路)的功率因数计算方法不再适用于AC/DC整流-滤波电容电路,即不能再用来表示功率因数,而应该再加入波
形畸变的因数:
负载功率因数PF=P/UI
式中,P为实际传送到负载的有功功率,UI市电电网输入的视在功率。
③提高输入功率因数的主要方法
A.无源滤波器
无源功率因数校正技术主要是采用无源元件来改善输入功率因数,减小电流谐波以满足标准要求。
普通的桥式整流器整流后输出的电流是脉动直流,电流不连续,谐波失真大,功率因数低。
其主要优点是电路简单,成本低,可靠性高,电磁干扰少;
主要缺点是尺寸大,重量大,难以得到高功率因数(一般最高可提高到0.9左右),工作性能与频率、负载变化及输入电压有关,电感和电容间有大的充放电电流等。
B.有源功率因数校正器
在整流器和负载之间接入一个PFC转换器(即DC/DC转换器),应用电流反馈技术,使输入端的电流
波形,跟踪交流输入正弦电压波形,可以使
接近正弦。
从而使输入电流的THD≤5%,而输入功率因数可以提高到0.99或更高。
由于这种技术应用了有源功率器件和反馈技术,使输入电流波形从窄脉冲状态改变成接近于正弦波,提高了输入功率因数,故称为有源功率因数校正技术(APFC)。
它的主要优点是:
可以得到较高的输入功率因数,一般为0.97-0.99,甚至接近于1;
市电电网输入电流的THD小;
可以在较宽的输入电压范围(如90-264Vac)和宽频带下工作;
体积小,重量轻;
在调节输入电流波形的同时,利用电流负反馈技术,可以保持输出电压基本恒定。
主要缺点是:
电路复杂、成本高;
EMI高;
效率略有下降。
按电路结构,APFC技术可以分为以下几种:
①降压式(Buck);
②升/降压式(Buck-Boost);
③反激式(Flyback);
④升压式(Boost)。
初步决定采用ST公司的L6561控制芯片来实现基于单端反激式变换器的临界导通模式功率因数校正电路。
(4)准谐振反激变换器
①采用谐振变换器的原因
由于硬开关存在开关损耗大、感性关断电压尖峰大、容性开通电流尖峰大、电磁干扰严重等缺点,要实现高频化,必须降低开关损耗,软开关技术是减小开关损耗的重要方法之一。
软开关技术应用谐振的原理,使开关器件的电压或电流按正弦或准正弦的规律变化,波形较为平滑,不像“硬开关”那样直上直下,当电流或都电压为零时,导通或者关断开关器件,从而使开关损耗接近零。
由此,软开关可以分为零电压开关(ZVS)或零电流开关(简称ZCS)[24]。
②关于谐振变换器
常用的软开关技术有全谐振变换器、准谐振变换器和多谐振变换器三种类型。
全谐振变换器,一般为谐振变换器,实际上是负载谐振型变换器,与负载的关系很密切,对负载变化很敏感。
该变换器中的谐振元件一直谐振工作,参与能量变换的全过程。
准谐振变换器、多谐振变换器与谐振变换器的最大区别是它们的谐振元器件不参与变换的全过程,而只是某一个阶段。
多谐振变换器是指应用两个以上谐振元器件,实现多个谐振频率的准谐振变换器,不适用于小功率的单端反激变换器。
准谐振变换器结构简单,容易实现与单端反激变换器的结合,故初步决定采用准谐振变换电路。
(5)LED调光原理
目前主要有三种调光的方法:
模拟调光,PWM调光以及可控硅调光。
A.模拟调光,即控制流经LED串的电流量。
这可能导致LED串的电压下降,并造成轻微的色差,且一直有电流通过LED串,因此不利于降低损耗。
B.PWM调光方法,又称为数字调光,即在大于200Hz的某些频率下以0%到100%的不同的导通时间百分比(占空比)导通和关断LED。
C.可控硅调光,是采用相位控制方式来实现调光的[34]。
通过控制可控硅的导通角,将电网输入的正弦波斩掉一部分,以降低输出电压的平均值,达到控制灯电路供电电压,从而实现调光。
因此,可控硅调光多用于交流输出调光,不适合本课题。
综上所述,PWM调光在导通期间LED满电流工作,而在关断期间LED上没有电流流过。
这样既保证了色彩的一致性,又能提高效率,充分发挥LED响应时间短的特点,故初步决定采用此种调光方式。
四、小结
课题要求设计一款基于36V直流供电的50WLED驱动电源,查阅资料,初步决定采用准谐振控制芯片和单片机混合控制的方式实现恒定电流输出,并且在反接、开路、短路、过压、欠压等异常情况下设置保护电路。
本设计主要涉及以下四个方面:
(1)反激变换电路设计。
在分析了常用的几种升压电路的基础下,本设计采用有利于LED正常工作的反激变换电路,详细分析了反激变换电路的各种工作模式,初步决定采用准谐振零电压开关技术,使电路稳态工作于临界导通模式,提高控制电路的响应速度和稳定性,降低开关损耗,并针对反激变换电路开关管存在的尖峰电压,初步决定采用RCD箝位电路,提高驱动电源的可靠性。
(2)恒流电路设计。
决定采用单片机和PWM控制芯片混合控制的方法,同时兼顾恒流控制的响应速度和精确度,实现LED的恒定电流控制。
利用单片机控制实现驱动电源在各种异常状态下的自动保护。
能够简化硬件电路设计,提高电路可靠性。
(3)调光电路。
在分析三种调光方式的原理的基础上,针对LED快速响应的特点,采用数字调光方式,提高效率,保证了LED色彩的一致性。
(4)电路可靠性和电磁兼容设计。
通过分析影响LED驱动电源可靠性的因素,需对电路的关键器件进行了必要的设计,提高驱动电源的可靠性。
分析了造成电磁干扰的一些原因,从硬件设计和软件设计两个方面采取抗干扰措施,提高驱动电源的电磁兼容性。
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