摘要:对LED灯具驱动源的技术要求进行分析,设计了恒流式驱动电路.LED灯具采用了电容降压式驱动和TVS对电路进行过压保护。同时采用晶闸管和PTC将输出电路的电流限定在一定范围。为了确保各LED串联支路电流一致,对传统LED连接方式进行分析,并提出了新型的LED阵列结构。

关键词:LED恒流驱动;阵列结构;电容降压;保护电路

0 引言

当前我国正在创建资源节约型、环境友好型社会,“绿色照明”的概念也在逐步深入人心。随着科技的不断进步,半导体材料应用技术的高速发展,小功率LED光源已广泛应用于景观照明,LED灯具在家用照明方面的应用也越来越得到各方面的人士的关注。当然,采用LED照明,首先需要考虑的是其亮度、成本以及寿命。由于影响LED寿命的主要原因有其频繁启动瞬间的电流冲击[1],外界的各种浪涌脉冲和LED在使用时采用的连接方式如进行并联、串联,在使用过程中只要有一个LED短路或断路,都将导致小片或整条LED熄灭、或使LED超负荷工作,这些问题都将严重影响照明效果。因此研究设计出一种简单、廉价、实用的驱动电路具有重要的意义。本文针对当前LED日光灯应用时所出现的各种问题,设计出了一种简单、可靠、实用的LED日光灯驱动电路。

1 LED灯的连接

1.1 传统LED灯的连接方式

目前影响LED日光灯寿命且容易让许多设计者忽略的问题,就是LED灯的连接方式。传统的LED阵列有串联式和并联式和串并式三种结构[2],如图1、图2和图3所示。

图1为串联式的LED阵列,其优点是阻抗高,同组各LED驱动电流相同,有助于阵列前段的电源供应器设计。但是当部分LED断路时,将导至其余串联的LED阵列不通,使大部分LED熄灭。

图2为并联式LED阵列,其优点是驱动电流可平均分配到所有的LED,若使用恒流源驱动阵列,当部分元件断路时,多余的电流会分散到其余的多个LED上,导通电流增加的比例相对较小,虽然不会有超过额定电流问题,但缺点是当部分LED短路时,LED阵列两端形成短路,驱动电流仅流过短路的LED。另外并联式的LED阵列需要较大的驱动电流,会增加驱动电路设计上的困难以及增加系统的能量损耗。

图3为串并联式的LED阵列,其优点是阻抗高,同组各LED驱动电流相同,有助于阵列前段的电源供应器设计。每一组串联的LED可视为独立的系统,当部分LED发生短路时,整体LED阵列阻抗变化不大。但是当部分LED断路时,会使其余串联的LED阵列不导通,导致大部分LED熄灭,会缩短元件的使用寿命,加速整个阵列的故障。

1.2 新型LED阵列结构

由于传统的LED阵列仍存在许多因元件故障而产生的问题,因此设计出如图4所示的一种新型的LED连接阵列结构,此结构由数个LED单元组合而成a,b,c…n组合而成,每个单元由三个部分组成,每一个分支由电阻和LED组成,在每一个分支上的LED元件,利用一个LED,由本身的正极连接到另一分支上LED的阳极,达到并联的效果。这种阵列连接方式就LED短路和断路的情形来说此LED阵列结构比传统的LED阵列具有明显的稳定性。在图4中,当LED(a1)断路时,流经第一分支的电流可由LED(a2)流向第二分支,而第二分支的电流可经由LED(b3)流向第一分支。而当LED(a1)短路时,由于(a)单元并非并联结构,因此流经第一分支的电流仍然会流过(a2)。如上述所言当部分LED出现故障时,可确保其余的LED仍然保持导通状态,该设计结构可由三支扩展为多支分支,且允许阵列中的元件拥有不同元件特性,并且使每颗LED的亮度皆相同。因此,笔者在LED的连接方式时就采用图4所示的连接阵列,实验证明此设计的性能确实稳定、可靠。

2 日光灯驱动电路设计

目前小功率LED照明产品中,广泛使用恒流驱动和稳压驱动[3]。恒流式驱动电路输出的电流是恒定的;对于稳压电源电路而言,其输出的电压是固定的,而输出的电流却随着负载的增减而变化。由于LED是随电流变化显著的器件,当LED正向导通时,其正向电压的微小变化便可引起LED电流的巨大变化。对于稳压式LED驱动电源而言,当负载变化时,电流波动较大,LED在大电流下工作较长时间会损坏。因此,选用恒流式驱动电源是比较理想的。就目前LED驱动源而言还存在比较多的问题,如抗浪涌的能力比较差,特别是抗反向电压能力,加强这方面的保护很重要,还有就是驱动源的可靠性问题,只有真正解决了其可靠性,LED灯具才能够真正替代现有普通日光灯。针对目前LED灯具所存在的一些问题,本人设计了图5的LED日光灯电路。

2.1 降压电容选择与TVS保护

在图5所示电容降压式电源的典型电路中,C1为降压电容器(采用金属化聚丙烯电容),R1为C1提供放电回路,电容C1为整个电路提供恒定的工作电流。电路设计时,应先测定负载电流的准确值,然后参考示例来选择降压电容器的容量。因为通过降压电容C1向负载提供的电流Io,实际上是流过C1的充放电电流Ic。当负载电流Io小于C1的充放电电流Ic时,多余的电流就会流过滤波电容C2。

Ic=Ui1/2πfC

式中,Ui为输入交流电压有效值;f为交流电压频率。

C1容量越大,容抗Xc越小,则流经C1的充、放电电流越大。通常降压电容Cl的容量C与负载电流Io的关系可近似认为:

C=14.5Io

式中,C的容量单位是μF,I的单位是A。

限流电容必须采用无极性电容,而且电容的耐压值须为输入电压的两倍以上,一般选630V。本电路设计中以驱动70个小功率LED为例,采用新型的阵列结构,如图5,所需电流为120mA。

瞬态电压抑制器[4],简称TVS,是在稳压管基础上发展起来的一种高效保护器件,主要用于对电路元件进行快速过压保护。当TVS管两极受到反向瞬态高能量冲击时,它能以10～12秒量级的速度将两极问的高阻抗变为很低的阻抗,吸收高能量的浪涌,将两极间的电压箝位于一个预定值,保护电子线路中的元器件免受各种浪涌脉冲的冲击而损坏。

2.2 输出整流与稳压

LED日光灯电路设计整流桥上单个二极管所承受的电压最大值UM=2Ui(Ui为输入电压的有效值)=318.4V,因此,选用常用的整流二极管IN4007(Ui=1000V,IF=1A)。电容C2用于滤除整流输出电压的交流部分,电阻R2为C2提供放电回路,D3为稳压二极管。当负载电流Io小于C1的充放电电流时,多余的电流就会流过稳压管,若稳压管的最大允许电流Imax小于Ic2Io时易造成稳压管烧毁。

2.3 输出保护电路

由于LED正向导通后,其正向电压的细小变动将会引起LED电流的大幅度变化[5],因此需要在输出端设置输出保护电路。

在图5中R4为单向晶闸管提供触发偏置电压,其阻值的选择至关重要,如果值太大,则电路中某些不稳定因素导致LED中的电流瞬间变大,会导致晶闸管频繁触发,保护电路频繁起作用,造成电路工作不正常;如果阻值选的过小,LED可能在超出其规格稳定值下工作,保护电路不灵敏,会造成LED寿命缩短。该电路的VT1采用Motorola公司的MCR729.10(控制极触发电压UGT=0.8V,触发电流IGT=10mA)。本设计中采用如图5的设计方案,要求LED各支路总电流为120mA,则R4≤UGT120mA=617Ω,所以一般选R4为5.6Ω。图5中的输出部分,PTC(正温度系数热敏电阻)用于自动调节电流大小,使之限定在一定范围内。PTC是指在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料。为使电路中的电流在正常工作下趋于稳定,本电路采用了PTC热敏电阻,如图1中的R5电流通过PTC热敏电阻后引起温度升高,即发热体的温度上升,当超过居里点温度后,电阻增加从而限制电流增加,于是电流的下降导致元件温度降低,电阻值的减小又使电路电流增加,元件温度升高,周而复始,因此具有使温度保持在特定范围的功能[6]。PTC元件串接在电路中,正常情况下,呈低阻状态,保证电路正常工作[7]。

3 结论

本文从多LED组合的实际应用出发,采用电容降压式驱动电路和与新型LED阵列结构设计了l8W标准T8LED日光灯电路。该电路具有体积小、可靠、寿命长等特点,通过改变降压电容可适合用作多种LED灯具电源。针对多LED组合光源的实现方法、不同实现方法涉及的具体问题以及多LED光源组合等多方面展开讨论,为LED灯具设计者提供了参考依据。