張立娟

（吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132000）

0 引 言

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）出現(xiàn)于20世紀(jì)中期，LED發(fā)展初期發(fā)光度低且顏色單一，經(jīng)不斷發(fā)展LED發(fā)光度逐漸提高，顏色也多種多樣，其將電能轉(zhuǎn)化為光能的效率更高，目前被廣泛應(yīng)用于顯示器和照明。LED在低電壓下便可實(shí)現(xiàn)正常工作運(yùn)行，輸入電壓范圍在1.0～3.0 V，當(dāng)輸入電壓超出這一范圍則會損壞LED，驅(qū)動電源的重要性由此體現(xiàn)出來。目前，市面上常見的LED電源輸入范圍在80～265 V。為提高LED驅(qū)動電源的使用靈活性，本文設(shè)計了一款寬范圍高效LED驅(qū)動電源。

1 LED發(fā)光原理及驅(qū)動方式

1.1 LED發(fā)光原理

電子躍遷是LED發(fā)光主要原理，LED的本質(zhì)為III-IV族化合物，常見化學(xué)成分為磷化鎵（GaP）和磷砷化鎵（GaAsP）。P型半導(dǎo)體晶片與N型半導(dǎo)體晶片是產(chǎn)生電能的重要結(jié)構(gòu)，被稱為PN結(jié)，被安置于以上兩種半導(dǎo)體材料之間的過渡層，可實(shí)現(xiàn)反向截止和正通導(dǎo)向與發(fā)光。熱平衡條件下，N區(qū)電子大量躍遷，P區(qū)低躍遷率空穴增多，但受PN結(jié)單項限制影響，二者無法直接結(jié)合。在PN結(jié)上施加正電壓時，相對載流子本身的擴(kuò)散運(yùn)動大于漂移運(yùn)動，從而使N區(qū)躍遷電子與P區(qū)空穴相結(jié)合，并以光能的形式將能量釋放出來，而在PN結(jié)上施加反電壓時則不會產(chǎn)生光能。

1.2 LED驅(qū)動方式

LED的連接可分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種，串聯(lián)可實(shí)現(xiàn)LED發(fā)光亮度均勻，若其中一個LED短路，其余LED會分配更高電壓，容易損壞LED，因此針對串聯(lián)需連接恒流電源；并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)LED所需電壓更低，若其中一個LED短路，整個電路均會短路，致使LED無法工作，因此針對并聯(lián)需連接恒壓驅(qū)動。但經(jīng)實(shí)驗研究證明，當(dāng)某一LED出現(xiàn)故障時，只需滿足電流正常即可實(shí)現(xiàn)其他LED的點(diǎn)亮，然而如果驅(qū)動器發(fā)生損壞，LED被大量損毀，內(nèi)部引線開路，此時采取何種方式連接均無法點(diǎn)亮LED，可見在選擇LED連接方式時應(yīng)優(yōu)先考慮串聯(lián)。但是僅采用串聯(lián)需要的電壓較高，不符合經(jīng)濟(jì)效益，因此可采取串聯(lián)、并聯(lián)聯(lián)合使用的方式，以提高經(jīng)濟(jì)效益和LED發(fā)光效果。

2 LED電源驅(qū)動原理

高效LED驅(qū)動電源指的是將常規(guī)的電源供應(yīng)轉(zhuǎn)換為特定的電壓和電流，從而驅(qū)動LED發(fā)光的電源轉(zhuǎn)換器。相比傳統(tǒng)光源所需電壓，LED所需要的電壓為可隨負(fù)載正電壓值變化而改變電壓的恒定輸出電流源。當(dāng)高效LED驅(qū)動電源正常工作時，無論電網(wǎng)的電壓如何變化，驅(qū)動電源均能在80～265 V的電壓下實(shí)現(xiàn)正常工作。同時，將有效的保護(hù)裝置加入驅(qū)動電源電路當(dāng)中，則能夠大幅度提高驅(qū)動電源的使用壽命[1-4]。作為新一代節(jié)能光源，只要將驅(qū)動電源的效率維持在90%以上，提高電源效率，就會大幅度降低LED所損耗的功率，進(jìn)而顯著降低燈管內(nèi)的發(fā)熱量，從而減緩了燈管溫度的升高速度。這樣不僅能夠有效延緩LED的光衰，也一定程度上解決了光管散熱難度大的問題。電網(wǎng)對負(fù)載的功率因數(shù)要求較高，一旦出現(xiàn)功率因數(shù)低的狀況，電網(wǎng)的電壓則會受到嚴(yán)重的影響，使得電網(wǎng)發(fā)生波動，從而導(dǎo)致其他用電器的用電質(zhì)量大幅度降低。即使我國目前沒有對用電量小的電器進(jìn)行強(qiáng)制要求，但如果這類電器均有較低的功率因數(shù)，也很有可能對電網(wǎng)造成不同程度的污染。本文設(shè)計的高效LED驅(qū)動電源將功率因數(shù)提高到0.9以上，不僅可將電能使用效率的問題進(jìn)行有效解決，也能夠降低LED對電網(wǎng)造成的污染[5]。

3 LED電源驅(qū)動器設(shè)計

3.1 驅(qū)動電源系統(tǒng)整體架構(gòu)

在驅(qū)動電源的存在下，LED在輸入電流后可借助LED驅(qū)動電源的幫助輸出穩(wěn)定的直流電，并可完全滿足電磁兼容的要求。在設(shè)計控制電路的過程中，可向集中控制、標(biāo)準(zhǔn)化模塊、系統(tǒng)可擴(kuò)展性等3個方面發(fā)展[6]。待電流正常輸入之后，首先需要經(jīng)過前級保護(hù)電路對輸入電流進(jìn)行有效保護(hù)，隨后電流進(jìn)入EMI濾波電路，利用EMI濾波電路將輸入電流中存在的以及電源線產(chǎn)生的電磁污染進(jìn)行有效抑制，接著電流進(jìn)入全波整流濾波電路，得到較為平滑的電壓。所得電壓分為兩股：一股進(jìn)入LLC諧振變換器，經(jīng)轉(zhuǎn)換將得出的平穩(wěn)直流電壓輸送給負(fù)載供電，隨后光電耦合器件會將PWN電壓信號傳送至控制器；另一股進(jìn)入啟動電路，通過啟動電路的電壓隨后進(jìn)入控制器。兩股進(jìn)入控制器的電壓信號在控制器內(nèi)進(jìn)行比較，最后通過對器件的導(dǎo)通與截止進(jìn)行開關(guān)，實(shí)現(xiàn)變壓器能量傳遞的控制。

3.2 控制電路設(shè)計

本文設(shè)計的寬范圍輸入高效LED驅(qū)動電源，采用的轉(zhuǎn)換器為MCZ5205SE LLC電流共振橋式轉(zhuǎn)換器，使其對控制器進(jìn)行有效控制，以此作為驅(qū)動電源的控制芯片。MCZ5205SE控制芯片當(dāng)中不僅擁有可控制臨界型PFC控制器以及附帶高耐壓門驅(qū)動器的變頻LLC橋型全波電流共振電源控制器，還具有各種保護(hù)能力[7]。MCZ5205SE與傳統(tǒng)的PWN控制器有所不同，前者主要利用更為簡單的開/關(guān)控制來穩(wěn)定地輸出電壓?？刂破鲃t由振蕩器、時間檢測器、反饋放大器、PFC監(jiān)測、信號控制電路、軟啟動與檢查電路、過電流檢測電路、輸入鎖定電路、MOS門驅(qū)動電路以及PFC過電流檢測電路等部分組成。本文所設(shè)計的高效LED驅(qū)動電源還具有智能控制能力，這一功能的存在使得無論LED的負(fù)載電流受到任何因素的影響，均可實(shí)現(xiàn)電流一直維持在事先設(shè)計好的水平上。這是因為在受到外界因素影響致使負(fù)載電流發(fā)生變化之后，控制器能夠通過對開關(guān)進(jìn)行控制，使得負(fù)載電流能夠快速恢復(fù)至初始設(shè)定的電流值上，從而保證LED的平穩(wěn)運(yùn)行。

3.3 EMI濾波電路設(shè)計

EMI濾波電路的作用會伴隨著電壓、電流的作用而產(chǎn)生，意義在于消除EMI。其在發(fā)揮作用的過程中，利用電感元件和電容元件特性，將電流產(chǎn)生的信號-信號、電源-電源、信號-電源、電源-信號之間產(chǎn)生的EMI進(jìn)行有效消除。這樣不僅能夠確保整個系統(tǒng)的順利運(yùn)行，而且可避免釋放對人們身體健康有害地電磁干擾[8]。

光電產(chǎn)品抵抗浪涌的能力較為薄弱，尤其是在抵抗反向電壓和電網(wǎng)諧波串入的過程中。因此為實(shí)現(xiàn)光電產(chǎn)品抵抗浪涌能力的提升，本文所設(shè)計的高效LED驅(qū)動電源便通過加入EMI濾波電路來達(dá)到提升LED抵抗浪涌能力的目的。電流輸入和電網(wǎng)侵入均可導(dǎo)致出現(xiàn)不同種類的浪涌電流，EMI濾波電路則能對其進(jìn)行有效抑制，不僅避免這些浪涌電流對人體產(chǎn)生影響，還可對LED加以保護(hù)，避免LED受到損害。上面提到的兩種電磁干擾一般情況下會同時存在，同時共模比差模更容易產(chǎn)生電磁干擾，可見EMI濾波電路在抑制共模引起的電磁干擾中發(fā)揮的作用更大。

3.4 LLC諧振變換器設(shè)計

LLC諧振變換器為LED TV的主功率拓?fù)渲?，與其他轉(zhuǎn)換器的功能相對比，前者的功能優(yōu)勢更多，但是LLC諧振變換器的設(shè)計難度較大，因此未受到廣泛的關(guān)注。輸入電源、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、諧振網(wǎng)絡(luò)、理想變壓器、整流橋、濾波網(wǎng)絡(luò)以及負(fù)載共同組成LLC諧振變換器，其對串聯(lián)、并聯(lián)諧振變換器的特點(diǎn)和優(yōu)勢進(jìn)行了整合。當(dāng)負(fù)載和輸入電壓發(fā)生較大的變化時，借助LLC諧振變換器依然能夠有效調(diào)節(jié)輸出電壓的穩(wěn)定性，并能夠?qū)ΧO軟管開關(guān)進(jìn)行有效控制[9-10]。

4 結(jié) 論

在LED備受關(guān)注的情況下，大力發(fā)展LED技術(shù)以及LED相關(guān)技術(shù)逐漸成為科技研究者的主要工作內(nèi)容。本文為實(shí)現(xiàn)LED在寬范圍輸入的情況下依然能夠平穩(wěn)運(yùn)行，設(shè)計出了一種高效LED驅(qū)動電源。這種驅(qū)動電源不僅在恒流效果、電流輸出等方面具有極強(qiáng)優(yōu)勢，而且具有體積小、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)。