黃 崢， 古 鵬

(廣州大學 a. 機電工程學院;b. 計算機科學與教育軟件學院，廣東 廣州510006)

0 引 言

隨著時代的發(fā)展，對LED 的研究發(fā)現(xiàn)，其功耗遠低于現(xiàn)有的傳統(tǒng)燈具，而且比現(xiàn)有節(jié)能燈具更節(jié)能、省電，在壽命、環(huán)保等方面均有不可比擬的優(yōu)越性。LED不但體積小，且具有壽命長、驅動電壓低、反應速率快、耐震性佳、耗電少、發(fā)熱少、色彩純度高等特性。

LED 的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)光源的設計方法與思路，目前有兩種最新的設計理念:①情景照明。以場所為出發(fā)點，旨在營造一種漂亮、絢麗的光照環(huán)境，烘托場景效果，使人感覺到有場景氛圍;②情調照明。與情景照明有所不同，情調照明是動態(tài)的，可以滿足人的精神需求的照明方式，使人感到有情調。情調照明包含四個方面:一是環(huán)保節(jié)能;二是健康;三是智能化;四是人性化。本文對LED 及其驅動裝置的特性，從理論到設計進行了探討，設計是由嵌入式計算機控制模塊，對以大功率三極管為核心的恒流源電路進行控制，采用雙供、雙路輸出充電方式，且雙供電源采用獨創(chuàng)的智能無觸式電子開關，能夠自動完成供電方式的切換。

1 LED 照明特性

1.1 LED 電特性［1］

LED 的測試包括電特性、光特性、開關特性、顏色特性、熱學特性、可靠性等。作為對LED 電源的設計，對于定型的LED 產品主要研究電特性。

發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)是半導體材料制成的組件［1-2］，為一種微細的固態(tài)光源，其發(fā)光原理是在一正偏二極管PN 接合面處，自由電子與空穴發(fā)生復合作用，因自由電子由高能階掉到能量較低的價帶時，釋放出能量而產生光與熱。圖1 是關于單一LED 的電特性參數(shù)以及電特性與溫度的關系圖。

圖1 LED 的電特性參數(shù)關系圖

LED 必須在合適的電流、電壓驅動下才能正常工作，LED 的電特性也受溫度的影響。通過LED 電特性的測試可以獲得LED 的最大允許正向電壓、電流及反向電壓、電流，此外也可以測定LED 的最佳工作電功率。LED 的正向伏安特性具有單向導電性和非線性，外部加正向偏置電壓時，表現(xiàn)為低電阻;反之，為高電阻。

LED 伏安特性的數(shù)字模型［3］為

式中:Uturn_on為LED 的啟動電壓;T 為環(huán)境溫度;RS為伏安特性曲線的斜率;(ΔUF/ΔT)為LED 正向電壓溫度系數(shù)，它的典型值為－2 mV/°C。

從圖1 及數(shù)學模型可看出，LED 上所加的電壓大于導通電壓時，伏安特性曲化比較劇烈，正向電壓發(fā)生微小的變化就會導致正向電流發(fā)生很大的變化;環(huán)境溫度對LED 的電氣特性也有較大的影響;不同的白光LED 的特性曲線有很大差異，用單一電壓驅動這些LED 時，可造成正向電流0 ～50 mA 的差異。驅動LED 面臨著不少挑戰(zhàn)，如正向電壓會隨著溫度、電流的變化而變化，而不同個體、批次、供應商的LED 正向電壓也會有差異;另外，LED 的“色點”也會隨著電流及溫度的變化而漂移，同一LED 電壓小、電流大比電壓大、電流小的情況其色譜要寬一些，對設計的驅動設計，如果要寬色譜一般會采用電壓小、電流大的驅動器。

1.2 LED 的排列方式［3］

LED 的排列方式直接影響了驅動電源的電流與電壓的選擇，應用中通常會使用多顆LED，這就涉及到多顆LED 的排列方式問題。其排列方式有串聯(lián)式、并串交叉式以及并聯(lián)式;各種排列方式中，首選驅動串聯(lián)的單串LED，因為這種方式不論正向電壓如何變化，輸出電壓如何“漂移”，均提供極佳的電流匹配性能。而在交叉連接中，如果其中某個LED 因故障開路，電路中僅有1 個LED 的驅動電流會加倍，從而盡量減少對整個電路的影響。

表1、2 是對某一型號LED 模塊的參數(shù)測試(1 個模塊是由5 組LED 燈并聯(lián)，而每組又由3 個LED 燈串聯(lián)組成)匯總表，表1 及圖2 為單個模塊的測試參數(shù)與圖表。從測試數(shù)據(jù)表可以看出，即便是同一型、同一批的產品，其參數(shù)都具有一定的離散性。

表1 某一型號LED 模塊的電阻參數(shù)測試

圖2 單個模塊的電阻特性圖

1.3 LED 驅動的拓撲結構［4］

(1)采用AC-DC 電源驅動LED 的方式。電路中通常加入了變壓器的隔離型AC-DC 電源轉換包含反激、正激及半橋等拓撲結構，電源轉換的構建模塊包括二極管、開關、電感及電容及電阻等分立元件用于執(zhí)行各自功能，而脈寬調制(PWM)穩(wěn)壓器用于控制電源轉換。

(2)采用DC-DC 電源驅動LED 的方式?？梢圆捎玫腖ED 驅動方式有電阻型、線性穩(wěn)壓器及開關穩(wěn)壓器等。電阻型驅動方式中，調整與LED 串聯(lián)的電流檢測電阻即可控制LED 的正向電流，這種驅動方式易于設計、成本低，且沒有電磁兼容(EMC)問題，劣勢是依賴于電壓，需要篩選LED，且能效較低。線性穩(wěn)壓器同樣易于設計且沒有EMC 問題，還支持電流穩(wěn)流及過流保護，且提供外部電流設定點，不足在于功率耗散問題，及輸入電壓要始終高于正向電壓，且能效不高。開關穩(wěn)壓器通過PWM 控制模塊不斷控制開關的開和關，進而控制電流的流動。

表2 某一型號不同LED 模塊的電阻參數(shù)測試

開關穩(wěn)壓器具有更高的能效，與電壓無關，且能控制亮度，不足則是成本相對較高，復雜度也更高，且存在電磁干擾(EMI)問題。LED DC-DC 開關穩(wěn)壓器常見的拓撲結構包括降壓、升壓、降壓-升壓或單端初級電感轉換器等不同類型。

(3)采用交流電源直接驅動LED 的方式。這種結構中，LED 串以相反方向排列，工作在半周期，且LED 在線路電壓大于正向電壓時才導通。這種結構具有其優(yōu)勢，如避免AC-DC 轉換所帶來的功率損耗等。但是，這種結構中LED 在低頻開關，故人眼可能會察覺到閃爍現(xiàn)象。此外，在這種設計中還需要加入LED 保護措施，使其免受線路浪涌或瞬態(tài)的影響。

2 LED 驅動的設計的總體要求［5］

2.1 設計的總體思想

根據(jù)用電安全標準，通常LED 采用低壓安全驅動，一般情況其標稱輸入電壓范圍在DC 3 ～40 V，AC 12 ～24 V，標稱輸出電流一般情況在5A 以下。LED燈具選用36 V 以下的交流電源可以考慮非隔離供電，如選用220 V 和100 V 的交流電源應考慮隔離供電;對于直接使用AC 100 ～220 V 的驅動芯片，因應用體積苛求，在技術上還有更高的要求、更大的難度，目前各國都在努力開發(fā)中。

作為照明用的LED 光源，1 W 功率的LED 光源其標稱工作電流約為350 mA;3 W 功率以上的LED 光源其標稱工作電流大于700 mA，功率大的需要更大的電流。實踐數(shù)據(jù)表明，采用AC-DC 驅動LED，電源的功率因數(shù)小于0.8。LED 的排列方式及LED 光源的規(guī)范決定著基本的驅動器要求。LED 驅動器的主要功能就是在一定的工作條件范圍下，無論輸入及輸出電壓如何變化，穩(wěn)定流過LED 的電流。在LED 照明設計中，AC-DC 電源轉換與恒流驅動這兩部分電路可以采用不同配置:①整體式配置。兩者融合在一起，均位于照明燈具內，這種配置的優(yōu)勢包括優(yōu)化能效及簡化安裝等;②分布式配置。兩者單獨存在，這種配置簡化安全考慮，并增加靈活性。

LED 驅動器根據(jù)不同的應用要求，可以采用恒定電壓(CV)輸出工作，即輸出為一定電流范圍下鉗位的電壓;也可以采用恒定電流(CC)輸出工作，輸出的設計能嚴格限定電流;也可能會采用恒流恒壓(CCCV)輸出工作，即提供恒定輸出功率，故作為負載的LED的正向電壓確定其電流。

2.2 設計的具體要求

LED 驅動器［6］的設計需考慮的因素:①輸出功率。涉及LED 正向電壓范圍、電流及LED 排列方式等;②電源。AC-DC 電源、DC-DC 電源、直接采用AC電源驅動;③功能要求。調光要求、調光方式(模擬、數(shù)字或多級)、照明控制;④電源的電磁輻射及抗干擾要求符合各種標準;⑤其他要求。能效、功率因數(shù)、溫升、尺寸、成本、故障處理(保護特性)、可靠性等。

要確定照明需求，設計目標應是基于現(xiàn)有燈具的性能，或者是基于應用的照明需求，列出設計目標，這些目標應根據(jù)應用的照明需求而定。設計應列出影響的所有其他目標，如特殊要求或者是要能受高溫，估計光學、熱和電氣系統(tǒng)的效率等等。設計目標會對光學、熱和電氣系統(tǒng)產生限制，將照明目標和系統(tǒng)效率結合起來，根據(jù)設計目標，估計的損失程度，設計出能驅動照明需要的LED 數(shù)量。

驅動輸出電流必需長久恒定，對同類LED 光源的發(fā)光亮度一致，保持最終產品的一致性，LED 光源才能穩(wěn)定發(fā)光，亮度不會閃爍;LED 驅動的抗EMI、噪音、耐高壓的能力也關系到整個LED 燈具產品能否順利通過CE、UL 等認證，因此驅動本身在設計伊始就要選用優(yōu)秀的拓撲結構和高壓的生產工藝。

3 LED 驅動的系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體設計［7］

LED 驅動通常由供電、恒流、控制等組成，由于LED 供電壓低，提供恒流的方式采用也可以多樣性，所以，總體設計要滿足以下全部或主要要求:

(1)系統(tǒng)由交流220 V 提供直流電源。在無交流220 V 時也可采用交流與電池雙供電方式。

(2)恒流源驅動電路模塊。恒流電路的核心由一個大功率三極管或場效管等元件組成恒流電路，該電路采用嵌入式計算機進行控制，可由電子開關切換或由PWM 方式控制控制電阻的大小，三極管的基極的電流或場效管的柵極電壓，從而使LED 電流恒定。

(3)嵌入式計算控制電路模塊。由計算機控制軟件及硬件組成控制電路，控制驅動電路的電源能量控制、切換、檢測、指示、保護，以確保LED 驅動系統(tǒng)的正常工作。

(4)充電電路控制模塊。檢測電路由一個檢測芯片及其周圍電路組成，通過電子開關，串聯(lián)不同阻值的電阻，檢測輸出的電流，檢測值輸入檢測芯片控制，當電流過大時控制電子開關電路切斷電源。

(5)在直流電源與電池之間還有充電電路和電源切換電路，充電電路的一端連接穩(wěn)壓電路的輸出端，另一端連接電池保護電路，由電池保護電路判斷是否該充電;電源切換電路的功能是令系統(tǒng)的供電方式在直流電源與電池之間切換。當有直流電時，電池端供電斷開，充電電路給電池充電;反之，沒有直流電源時，電池供電，升壓電路工作，充電電路斷開。

(6)由于LED 驅動方式大量的采用開關電源，其電子部分會對外部產生一定的電磁場干擾，為了保證其干擾在可控的范圍內，必須設計中充分考慮各種防干擾的設計。

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

圖3 為系統(tǒng)的方框圖，系統(tǒng)設計為具有一定代表性的帶保護和電池保護的LED 臺燈驅動系統(tǒng);系統(tǒng)主要由交流220 VAC-DC 12 V 穩(wěn)壓電源模塊、3.7 V 鋰電池供電模塊、恒流源驅動電路模塊、嵌入式計算機控制電路模塊、充電控制電路模塊這組成。

圖3 系統(tǒng)的方框圖

圖4［8-9］為系統(tǒng)的LED 臺燈恒流源驅動模塊電路圖，由嵌入式計算機控制，電路由兩片IC(U3、U4)、三極管Q1 等元件組成無觸點式三級LED 臺燈恒流源驅動電路;U3、C8、C9組成穩(wěn)壓電路，將VDD(5 V)穩(wěn)壓為3.3 V，作為LED 臺燈恒流源驅動模塊的標準電壓，用于恒流源電流恒定;穩(wěn)壓電路中C8、C9為濾電容，U3 為PWM 降壓式穩(wěn)壓IC。

圖4 LED 燈驅動模塊電路圖

圖5 為系統(tǒng)嵌入式計算機［10］控制模塊電路圖，C1、C2、Y1 組成嵌入式計算機晶振電路，U1 為單片機，C3為電源濾波電容，R1、R5計算機信號COM1、COM2下拉電阻，R2、R3、R4、LED1、LED2、LED3 為三級電池顯示電路。

圖5 嵌入式計算機控制模塊電路圖

圖6 為VUP5V 與DC5V 跳轉智能控制［11-12］］電路圖;系統(tǒng)正常工作時只能使用一種供電方式，當連接外部交流電源時，即用直流電源12 V 供電時，Q2 處于截止工作狀態(tài)，鋰電池3.7 V 電池供電斷開;當沒有外部直流電源輸入時，Q2 處于飽和工作狀態(tài)，切換到電池供電方式［13］。

圖6 5 V 跳轉智能控制電路圖

3.3 測試結果［14-15］

表3 是工作電壓18 V、12 W 的LED 模塊的測試功率測試數(shù)據(jù)。LED 照明燈具選用的驅動必需有足夠的電流輸出，設計時必須使驅動工作在滿負荷輸出的70% ～90%的最佳工作區(qū)域;因此，由交流轉換為直流電源的開關電源，不應有過大的冗余，通常只需大于LED 功率的1.5 倍左右即可。

表3 工作電壓18 V，12 W 的LED 模塊的測試功率測試數(shù)據(jù)表

圖7 LED 臺燈電磁輻射泄漏的極限測試曲線圖

表4 LED 臺燈電磁輻射泄漏極限測試結果數(shù)據(jù) μV/m

圖7、表4 是依據(jù)設計規(guī)范完成的LED 臺燈驅動器的磁輻射泄漏的極限測試結果。測試是由香港STC完成，并提供測試數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)表明所完成的設計是成功的。

4 結 語

系統(tǒng)的設計主要有以下的特點:系統(tǒng)采用獨創(chuàng)的智能無觸式電子開關用于系統(tǒng)中的供電方式的切換，而這種獨創(chuàng)的方式，其最大的特點就是極大地減少如繼電器開關通斷切換所引起的電磁干擾。根據(jù)不同的開關特性要求，可采用不同阻抗的元件來構成電子智能無觸式電子開關，若對阻抗參數(shù)要求不高，可采用三極管構成電子智能無觸式電子開關用于雙供電源的切換，場效應管開關電阻小;若要求較小的阻抗，則可用其代替晶體管。嵌入式計算機控制系統(tǒng)則采用軟件與硬件結合的控制方式，用于LED 驅動及電池的電量檢測控制;在鋰電池供電模塊和充電控制電路模塊都設有過壓、過流保護電路以確保電源不至于損壞。

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