李翔，李強(qiáng)

(1.安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽六安 237011；2.南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京 210094)

反激式可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

李翔1，李強(qiáng)2

(1.安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽六安 237011；2.南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京 210094)

針對(duì)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率因數(shù)低、調(diào)光效果不佳的情況，在分析可控硅調(diào)光原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于SSL2103的反激式可調(diào)光50 W LED驅(qū)動(dòng)器，主要由輸入電路、反激變換電路、調(diào)光控制電路、反饋環(huán)路和輸出電路5部分組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明驅(qū)動(dòng)器可以正常工作并達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

反激式；LED驅(qū)動(dòng)；可控硅調(diào)光；SSL2103

LED具有光效高、耗能低、綠色環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小、易維護(hù)、啟動(dòng)迅速等特點(diǎn)，作為第四代照明光源或綠色光源，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于各種顯示、裝飾、普通照明和城市夜景等領(lǐng)域。

從物理特性分析，LED相當(dāng)于一個(gè)有較小等效串聯(lián)電阻ESR的恒壓負(fù)載，因?yàn)镋SR的值很小，電源輸出電壓或者負(fù)載電壓的輕微變化就會(huì)導(dǎo)致很大的電流變化，見(jiàn)圖1。LED的光通量與電流成正比，因此，在恒壓驅(qū)動(dòng)和恒流驅(qū)動(dòng)之間，恒流驅(qū)動(dòng)LED顯然是一個(gè)合適的方案。LED的光通量和電流成正比：其壓降隨著電流的增加而增大，隨著溫度的降低而減少。

圖1 LED伏安特性

LED照明技術(shù)發(fā)展面臨光品質(zhì)、光效表現(xiàn)、可靠性以及設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化方面的四大挑戰(zhàn)，采用傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器存在功率因數(shù)低、發(fā)光效率不高，對(duì)電網(wǎng)干擾大、電網(wǎng)質(zhì)量影響嚴(yán)重等問(wèn)題，因此選用專(zhuān)用LED照明芯片，采用反激式拓?fù)?，?shí)現(xiàn)具有恒流限壓反饋的可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有一定的研究意義[1]。

1 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，可控硅調(diào)光器接在交流電壓和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸入端之間，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由整流濾波電路、反激式變換電路、調(diào)光控制電路、反饋環(huán)路和輸出電路5部分組成，采用反激式拓?fù)?；整流濾波、反激式變換和輸出電路構(gòu)成主電路，主要完成將市電變化到LED所需的工作電壓，同時(shí)實(shí)現(xiàn)隔離和抗干擾功能；控制電路通過(guò)開(kāi)關(guān)管的通斷實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能；反饋電路用于穩(wěn)定輸出電流[2]。

圖2 驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)框圖

2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 輸入電路設(shè)計(jì)

圖3 輸入電路原理圖

本系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率選取75 kHz，剪切頻率設(shè)置7 kHz，計(jì)算得到2=6.8 mH，2=3=150 nF。

2.2 芯片工作電路設(shè)計(jì)

2.2.1 反激變換電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用NXP公司的LED照明專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片SSL2103構(gòu)建反激式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。圖4為反激變換電路。

圖4 反激變換電路

當(dāng)接入市電時(shí)，由于芯片未工作，無(wú)法驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管Q3，變壓器原繞組儲(chǔ)能，副繞組沒(méi)有輸出，輔助繞組也沒(méi)有向芯片供電，此時(shí)芯片通過(guò)14腳(HVDETC)直接由整流之后的市電供電啟動(dòng)；之后，芯片12腳(GATE)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)外部Q3管，變壓器原繞組放能，副繞組輸出能量給LED，輔助繞組通過(guò)R22，D7，C8為VCC提供穩(wěn)定的直流電壓保證芯片工作，D8防止供電電壓過(guò)高損壞芯片。

由于開(kāi)關(guān)損耗正相關(guān)于開(kāi)關(guān)電壓，為了提高發(fā)光效率，令本系統(tǒng)工作在斷續(xù)模式。

芯片工作時(shí)，上一個(gè)周期中變壓器原邊電感和RC振蕩電路放電完成后，13腳(DRAIN)電壓開(kāi)始振蕩，通過(guò)13腳(DRAIN)和10腳(AUX)檢測(cè)振蕩波形，當(dāng)振蕩至谷底時(shí)開(kāi)通這樣確保了損耗最低，此時(shí)芯片發(fā)出開(kāi)通信號(hào)。之后變壓器原邊電感開(kāi)始儲(chǔ)能，11腳(SOURCE)電壓(即R19上的電壓，該電壓的變化體現(xiàn)了原邊電流的變化)上升，上升至閾值時(shí)，芯片發(fā)出關(guān)斷信號(hào)；如果輸入電壓很低，則11腳(SOURCE)電壓上升很慢，8腳(PWMLMT)對(duì)上升時(shí)間設(shè)定了上限，即限制了最大占空比，當(dāng)時(shí)間達(dá)到上限時(shí)，芯片同樣會(huì)發(fā)出關(guān)斷信號(hào)。

當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，瞬時(shí)輸入電壓越小，原邊電流上升越慢，由于最大開(kāi)通時(shí)間受到限制，因此電流峰值也越小。這意味著電流大小的變化跟隨輸入電壓大小變化，實(shí)現(xiàn)PFC。

變壓器在開(kāi)關(guān)瞬間會(huì)產(chǎn)生高壓尖峰損壞元件，D5用來(lái)為高壓尖峰提供通路，D4用來(lái)限制高壓尖峰的最大值。

本系統(tǒng)需要一個(gè)帶三個(gè)線圈的變壓器：一個(gè)電源或者原邊繞組Np，一個(gè)輸出或者副邊繞組Ns，一個(gè)輔助繞組Na。變壓器計(jì)算步驟如下[3]：

(2)根據(jù)輸入和輸出的參數(shù)我們計(jì)算占空比δ1的數(shù)值(即原邊充電的時(shí)間)，進(jìn)而可以求出δ2(即副邊充電的時(shí)間)：

2.2.2 調(diào)光控制電路

輸入端的電阻R1和電容C1、C13用于抑制調(diào)光時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰和電流尖峰。圖5調(diào)為光控制電路圖。

圖5 調(diào)光控制電路圖

如前文所述，調(diào)光器電流需要達(dá)到導(dǎo)通電流才能開(kāi)通，在導(dǎo)通瞬間因移除觸發(fā)信號(hào)可能導(dǎo)致重新關(guān)斷的現(xiàn)象。14腳(HVDET)檢測(cè)到電壓輸入后，1腳(SBDR)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，Q2開(kāi)通，提供電流保證調(diào)光器不會(huì)關(guān)斷。9腳(ISENSE)檢測(cè)主電路中的電流，當(dāng)電流很小時(shí)，說(shuō)明調(diào)光器電流也很小，此時(shí)2腳(WBDR)驅(qū)動(dòng)Q1開(kāi)通，構(gòu)成泄放回路，保證流過(guò)調(diào)光器的電流在維持電流之上，可以有效改善因?yàn)殡娏鬟^(guò)低而造成的閃爍和滅燈現(xiàn)象。

R11//R12//C5振蕩和R12//C5振蕩配合芯片內(nèi)部振蕩電路來(lái)設(shè)置芯片的最大和最小工作頻率。

調(diào)光器改變輸入電壓的大小，輸入電壓的變化通過(guò)R2和R10的分壓傳遞給5腳(BRT)，控制輸出電流，從而控制LED燈的亮度。

2.3 反饋環(huán)路設(shè)計(jì)

輸出電流通過(guò)R25采樣。當(dāng)電流未達(dá)到設(shè)定的值時(shí)，Q1和Q2處于飽和區(qū)，電流分別流過(guò)Q1和Q2，光耦的回路中沒(méi)有電流流過(guò)。圖6為反饋環(huán)路。

圖6 反饋環(huán)路

2.4 輸出電路設(shè)計(jì)

輸出電路器件的值由LED串中LED個(gè)數(shù)、電壓和電流決定。電流紋波的大小決定著緩沖電容應(yīng)該取值多少，緩沖電容可以通過(guò)下面的等式計(jì)算出來(lái)：

本系統(tǒng)的負(fù)載是4串LED并聯(lián)，每串10個(gè)燈。每個(gè)燈珠電壓3.3 V，電流0.31 A，LED典型的動(dòng)態(tài)電阻是0.6 Ω，整個(gè)負(fù)載動(dòng)態(tài)電阻是1.5 Ω。市電頻率是50 Hz，紋波比例取0.3。經(jīng)過(guò)計(jì)算后選擇的輸出電容是3 000 μF。

C11連接在地和副邊電路之間，目的為抑制變壓器各繞組之間的電容耦合。按照經(jīng)驗(yàn)，最好選取20倍。所以如果coup=100 pF，則應(yīng)當(dāng)11＞2 nF。如果需要安全隔離，該電容應(yīng)當(dāng)保證能承受EN132400規(guī)定的電壓(Yn型)。這里使用2.2 nF。

圖7 輸出電路

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 不接調(diào)光器條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

完成實(shí)驗(yàn)樣機(jī)后，將負(fù)載接入驅(qū)動(dòng)電源的輸出端，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的額定輸入是230 V/50 Hz，額定負(fù)載是10 LEDs×4 string。兼顧市電輸入電壓波動(dòng)和負(fù)載偏差的影響，設(shè)計(jì)在市電的90%～110%的范圍下進(jìn)行取樣測(cè)試。數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，功率因數(shù)、輸出電流及效率的變化曲線見(jiàn)圖8。

表1 不接調(diào)光器條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖8 功率因數(shù)、輸出電流及效率曲線

由以上數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)功率因數(shù)與市電電壓成負(fù)相關(guān)，與負(fù)載成正相關(guān)，在不同市電下的線性調(diào)整率是±2%；系統(tǒng)輸出電流與市電電壓成正相關(guān)，與負(fù)載成負(fù)相關(guān)，線性調(diào)整率是±2%；系統(tǒng)效率在額定工作點(diǎn)是82.75%，線性調(diào)整率是±1%，測(cè)試結(jié)果說(shuō)明該系統(tǒng)性能優(yōu)良。

3.2 接入調(diào)光器條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將調(diào)光器接入驅(qū)動(dòng)器的輸入端，按調(diào)光角從最大向小角度調(diào)的模式，不同的導(dǎo)通角下的輸出電流數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，輸出電流關(guān)于調(diào)光角的調(diào)光曲線見(jiàn)圖9。可知輸出電流隨著調(diào)光角的減小而減小，且中間處斜率較大，兩端斜率較小，自然亮度也按照同樣的曲線變化，這種調(diào)光曲線符合NEMA SSL-6(美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)關(guān)于固態(tài)照明的調(diào)光曲線標(biāo)準(zhǔn))，調(diào)光效果較好。

表2 在不同的導(dǎo)通角下的輸出電流

圖9 輸出電流關(guān)于調(diào)光角的調(diào)光曲線

輸入輸出波形見(jiàn)圖10。上圖中藍(lán)色的波形是輸入電壓，紅色的波形是輸入電流，電壓波形的顯示比例是1/500，電流波形顯示比例是0.1 V/A，由上圖可知，電流波形畸變較小，且能夠較好地跟隨電壓波形，說(shuō)明系統(tǒng)功率因數(shù)較高[5]。下圖中的波形是輸出電流(1為零坐標(biāo)軸)，電流波形顯示比例是0.4 V/A。由下圖可知，輸出電流最大值是1.4 A，最小值是1.05 A，平均值是1.24 A，紋波率是(1.4－1.05)×1.24=28%，滿足LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

闡述了利用SSL2103專(zhuān)用芯片設(shè)計(jì)并制作了負(fù)載為4串并聯(lián)、每串10個(gè)LED燈珠，總功率為50 W的LED驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)。對(duì)系統(tǒng)的主要功能模塊等進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為當(dāng)輸入電壓在208～253 V時(shí)，樣機(jī)的功率因數(shù)在0.9以上，效率高于82%，紋波小于32%，說(shuō)明該系統(tǒng)具有功率因數(shù)高、效率高、調(diào)光范圍寬和運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

圖10 輸入輸出波形

[1]沈霞，王洪誠(chéng)，蔣林，等.基于反激變換器的高功率因數(shù)LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31(6):140-143.

[2]彭少華.LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué)，2012: 48-50.

[3]姬海寧.高頻開(kāi)關(guān)電源變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[D].成都:電子科技大學(xué)，2003:36-41.

[4]王松林，陳雷，葉強(qiáng)，等．高轉(zhuǎn)換速率恒定跨導(dǎo)軌對(duì)軌運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，38(3)： 80-83．

[5]李翔，凌瑋杰．降壓式可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．江漢大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，41(5)：52-57．

Research of flyback topology and dimmable LED driver circuit system

LI Xiang1,LI Qiang2

The low PF and dimming ineffective of traditional drive systems of controllable silicon dimmer LED were considered;the principle of controlled silicon was analyzed;then a new 50 W LED driver based on SSL2103 was designed.The system was mainly composed by main circuit,the dimming control circuit,the output and feedback circuit.Experimental results show that the drive is working properly.

flyback topology;LED driver;SCR dimming;SSL2103

TM 46

A

1002-087 X(2014)02-0355-04

2013-06-22

安徽省2013年高校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2013B44)

李翔(1970—)，男，安徽省人，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電氣傳動(dòng)、LED驅(qū)動(dòng)。