一種長壽命LED驅動電路設計方案

　　本文主要針對現(xiàn)有LED驅動電路因存在電解電容而縮短其壽命的缺點，提出了一種無電解電容的LED驅動電路的設計方案。該方案以延長電路使用壽 命為主題，以開關電源與線性電源相互結合為基礎，揚長避短充分利用各自的優(yōu)勢，因為開關電源具有高效率的能量變換的特點而線性電源具有無輸出紋波的特點， 本設計方案充分利用其各自的優(yōu)勢來替代電解電容濾波，有效的解決了現(xiàn)有 LED驅動電路存在壽命短的問題。這款LED驅動電路無大容量電解電容，小型電容可以采用長壽命的薄膜電容等容性元件，使其具有壽命長、效率高、紋波電流 小特點，并且具有較高的安全性和穩(wěn)定性。

　　1.前言

　　LED（發(fā)光二極管） 為新一代的綠色照明光源，具有節(jié)能、環(huán)保、高亮度、長壽命等諸多優(yōu)點。它不僅是照明光源的新寵，也與人們的生活戚戚相關。因此，研制長壽命的驅動電源，構 建高效率、低成本、高功率因數(shù)和是LED燈發(fā)光品質(zhì)和整體性能的關鍵，也是 LED照明技術發(fā)展的需要。據(jù)不完全統(tǒng)計現(xiàn)有的白熾燈泡壽命比LED燈少約40倍。因為發(fā)光二級管不僅是直流電流驅動器件，也是光電轉換器，有將光電轉換 的功能。它的作用主要是通過流動電流，將電能轉變?yōu)楣饽?，所以其?yōu)勢是比一般的光源的節(jié)能效率和工作壽命都要高。但是，在LED驅動電源的整流電路和濾波 電路中一般需要使用大容量的電解電容。電解電容器的壽命一般為l05℃/2000h，就是說當電容周圍溫度升高到105℃時其壽命只有84天，即使工作在 溫度為85℃的環(huán)境中，使用壽命也僅為332天，所以電解電容是阻礙LED驅動電路壽命的主要原因。為了提高驅動電源的壽命，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驅動電源。

　　2.LED驅動電路的工作原理

　　本設計方案電路的總體框圖如圖1所示：

　　電路拓撲采用反激式拓撲電路、利用PWM控制開關頻率，使其輸出恒定的電流和電壓，驅動LED燈。主要包括：前級保護電路、EMI濾波電路、整流電路、RCD鉗位電路、同步整流電路、功率轉換電路、輸出濾波電路、反饋電路、控制電路等。

　　為了使電路受電磁干擾較小，將EMI濾波電路接在前級保護電路后，通過它將電路中的高次諧波和電路中的浪涌濾除。

　　在輸入整流部分上，分別由橋式整流電路及π型濾波電路構成，因為二極管具有單向導通的特性，所以橋式整流電路可以將交流電轉換為單向的直流電，而后在π型濾波電路的作用下，輸出穩(wěn)定直流電壓。

　　再由控制電路調(diào)節(jié)和控制使輸出達到設計值，最后經(jīng)過輸出濾波電路，使輸出波紋減小變成直流電，最后將直流電輸出給LED使用。

　　3.LED驅動電路的具體設計

　　3.1 輸入電路的設計

　　本設計電路的指標為：輸入交流電壓Vin:90-264 VAC/50-60Hz;輸出電壓Vo:27VDC;輸出電流Io:0.68A.

　　如圖2所示，輸入電路包括安全保險裝置、EMI噪聲濾波裝置、橋式整流電路和π型濾波電路。

　 　如圖2所示，為了減少在1MHz的頻段內(nèi)的電磁干擾，由電容C1、C2和電感L1、L2組成了EMI噪聲濾波電路。安全保險裝置由保險絲和 ZNR組成，當有危害電路的尖峰電流產(chǎn)生的時候，保險絲會迅速切斷電路以保護負載；ZNR是浪涌吸收器，當驅動電路的輸入端出現(xiàn)靜電和浪涌時它會變得阻抗 很高，因此可以保護后面的電路。橋式整流濾波電路，它的作用是將交流電轉換成直流電，其后的π型濾波器的作用濾除電路中電壓與電流的波紋。

　　3.1.1 EMI濾波器的設計

　　EMI濾波電路圖如圖3所示，EMI濾波電路在整流橋前，由差模電容CX1和CX2，主要用于衰減差模干擾，其值一般較大。

　　為了減少差模干擾，所以在整流橋后添加由C1、C2和L1組成π型差模濾波器。

　 　EMI濾波電路中的差模電容選用X安規(guī)電容，安全等級為X2，其耐壓值2500V，其中CX1=0.47uF，CX2=0.01uF.共模電感LX1為 7mH和LX2為1mH.整流橋后π型濾波電路的C1和C2濾波電容選用耐壓450V的薄膜電容，其電容值為0.22uF;差模電感L1大小為1mH.

　　從圖4中可以看出，當頻率高過1KHZ時噪聲信號會有明顯的下降?？梢钥闯鲈撾娐房梢杂行У亟档透哳l干擾。

　　3.1.2 整流橋二極管的選擇

　　整流橋二極管的電壓應力為：

　　考慮裕量，選用H D 0 6 （ V R = 6 0 0 V，IFAN=0.8A）。

　　3.2 高頻反激變壓器的設計

　　3.2.1 變壓器的參數(shù)的設計

　　（1）使用90Vac輸入電壓和9串負載做為最差工作條件來設計。

　　3.2.2 變壓器的仿真

　　如圖5所示，變壓器工作在DCM條件下原邊與副邊的電路電流波形圖。從圖中可以看出原邊電流Ipm與副邊電流Ism的值總是在從0開始增加，變壓器工作在此狀態(tài)可以保證能量的基本完全傳遞。

　　3.3 輸出電路的設計

　　如圖6所示。輸出電路由整流二極管D4，濾波電容C9，C10和穩(wěn)壓管D5組成。

　　3.3.1 輸出整流二極管的選擇輸出整流二極管D4的選擇標準：額定電壓應大于1.5倍的輸入電壓，額定電流應當大于2倍的輸出電流，反向恢復時間小于100ns.綜上所述，D4選擇為MB220，其參數(shù)為：200mA，100V，trr=50ns.

　　3.3.2 輸出電容的選擇

　 　如圖6所示，C9和C10是輸出濾波電容，由于輸出負載是LED串，根據(jù)LED的伏安特性，LED 正向導通電壓的較小的波動，都會導致LED導通電流較大的變動，因此要控制輸出的紋波電壓，而且在控制環(huán)節(jié)采用電流補償和提高開關頻率的技術，使得在不增 大紋波電壓的情況下適當?shù)臏p小輸出電容值，因此這里選用的是四個22nF/50V的電解電容并聯(lián)。

　　3.3.3 穩(wěn)壓管的選擇

　 　如圖6所示，D 5為輸出電路中的穩(wěn)壓管，因為當開關關斷的瞬間將會有反向電流流過IPD，這種反向電流將會導致器件損壞，所以應在輸出電路中添加穩(wěn)壓管。使用的穩(wěn)壓管應 達到指標：I D》2？Io=2×0.68=1.36A，UD》Uo=27V，反向恢復時間trr《100ns.考慮裕量，所以本設計采用的器件為 MB220，其設計的參數(shù)為：2A/43V/50ns.，。

　　如圖7 所示， 負載的電流波形圖為i（p），負載的輸出電壓波形圖為out，從圖中可以看出，輸出電壓穩(wěn)定在27.8V，輸出電流穩(wěn)定在0.68A.

　　3.4 有源紋波補償電路的設計

　　3.4.1 有源紋波補償理論

　 　因為現(xiàn)有的L C濾波電路無法完全濾除紋波，而且電容量小的電容濾波效果更差，所以傳統(tǒng)的開關電源輸出波紋大，若流過LED的電流紋波過大將不僅影響了LED的光效，而 且影響LED的光衰，特別是電解電容由于它的使用壽命短，從而嚴重的縮短了開關電源和LED的使用壽命。因此，從研究小電容量入手、以輸出紋波小、能量變 換效率高為內(nèi)容，以使用的安全性和長期性為目的，構建新型驅動電源，是十分重要的和必要的，是當前急需解決的問題，具有一定的科學性和可靠性。

　 　文獻［4］在總結主輔補償電路的基礎上，采用線性電源對電感紋波電流進行補償?shù)姆椒?，其電路結構如圖8所示。通過檢測電阻R1的電壓來檢測電感紋波電 流，放大器輸出與電感紋波電流反向的補償電流通過電阻R5將電感紋波電流補償。該電路通過用電阻匹配來解決紋波電流補償問題，容易實現(xiàn)；并且省去電解電 容，使得電源的使用壽命能夠延長。

　　3.4.2 有源紋波補償電路的設計與仿真

　　如圖9所示，有源紋波補償電路由三極管，運算放大器A1，A2，和電感電流檢測電阻組成。其原理是通過檢測電感兩端的電流，通過運算放大器A1和A2比較后控制三極管的開關實現(xiàn)電流的補償。

　　如圖10所示，圖i（p）為電感輸出電流，圖i（e）為補償電流，二者疊加后為輸出到二極管的電流。從圖中可以看出，經(jīng)過補償電路對LED電流的補償可以有效地減小電流波紋。

　　4.結束語

　 　目前LED驅動電路中，影響驅動電路整體壽命的主要因素是儲能電容，所以本設 計采用線性電源抑制輸出波紋，達到減小儲能電容的電容量的目的，因此可以在不增加輸出波紋的情況下采用壽命長的薄膜電容取代電解電容，從而提高LED驅動 電路的整體壽命。從仿真結果來看，采用以有源紋波補償后，電路運行穩(wěn)定，各項指標滿足要求，這說明此方法能夠有效的提高了驅動電路的使用壽命。