多路LED驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)解析 - 全文

LED 燈作為一種新型節(jié)能和無(wú)污染光源，由于其特有的發(fā)光照明特性，在現(xiàn)代照明應(yīng)用中發(fā)揮著革命性的作用。作為L(zhǎng)ED 照明產(chǎn)業(yè)鏈中最為核心的部件之一，LED 驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)所存在的可靠性低、成本高等典型問(wèn)題一直制約著LED 照明的發(fā)展。對(duì)于多路LED 驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)的開(kāi)發(fā)與可靠性研究是當(dāng)前業(yè)界的一個(gè)重要課題。

1、LED 驅(qū)動(dòng)現(xiàn)狀分析

國(guó)內(nèi)外通用LED 照明的一個(gè)顯著特點(diǎn)是，光源通常由數(shù)量較大的多顆LED 芯片構(gòu)成，LED自身的特性決定了LED適合恒流驅(qū)動(dòng)，這一點(diǎn)已得到國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者的共識(shí)。LED驅(qū)動(dòng)方式主要是單路恒壓輸出（光源內(nèi)置恒流源）、單路恒流輸出、單路恒壓源配置多路DC／ DC 恒流輸出等方案。

1．1單輸出恒流驅(qū)動(dòng)

將LED光源作為單組負(fù)載由單輸出電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)是最簡(jiǎn)單的LED驅(qū)動(dòng)控制方式。構(gòu)成LED 光源的多顆LED 有多種連接方式。下圖1所示的是所有的LED負(fù)載串聯(lián)的連接方式，單輸出電源為恒流源特性驅(qū)動(dòng)LED 燈。由于光源串聯(lián)，因此不存在均流問(wèn)題，但當(dāng)LED串聯(lián)數(shù)量較大時(shí)，光源電壓將增高，過(guò)高的光源電壓要求燈具整體符合安全標(biāo)準(zhǔn)的絕緣成本增高，燈具散熱器和絕緣要求越高，熱阻也越大，散熱效果變差對(duì)LED 燈壽命會(huì)產(chǎn)生影響。

作為改進(jìn)，如下圖2所示的LED燈為網(wǎng)格狀排列結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可避免光源的電壓過(guò)高，當(dāng)并聯(lián)LED數(shù)量較大時(shí)，單顆燈開(kāi)路，對(duì)整個(gè)LED燈的影響較小，但這種單顆LED直接并聯(lián)的方式，LED的電流均衡性差，造成LED光源可靠性降低；同時(shí)其中一個(gè)LED 短路，與之并聯(lián)的LED 都將熄滅。

如下圖3 所示的結(jié)構(gòu)，LED串聯(lián)后再相互并聯(lián)，在沒(méi)有LED失效的情況下，該結(jié)構(gòu)均流特性好于圖2所示的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，但如果部分LED發(fā)生短路故障時(shí)，會(huì)造成多串LED 間嚴(yán)重的電流不均衡。

以上分析可見(jiàn)，單輸出恒流驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用中有一定的局限性，尤其是LED 光源并聯(lián)的聯(lián)接方式對(duì)光源的使用壽命和可靠性將產(chǎn)生較大影響。

1．2多輸出恒流驅(qū)動(dòng)

如下圖4 所示的電路結(jié)構(gòu)，每組LED 負(fù)載由獨(dú)立恒流源特性的驅(qū)動(dòng)控制方式是一種較理想的方案，這一方面解決了多路輸出間的電流不均衡問(wèn)題，另一方面也克服了前述單輸出恒流驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)，但該方案的驅(qū)動(dòng)效率相對(duì)較低。

目前較普遍采用的LED 多路驅(qū)動(dòng)方案如下圖5所示，在單輸出恒壓源的輸出端口，配置若干級(jí)非隔離DC／ DC 變換器，每路LED負(fù)載由單獨(dú)的DC／DC變換器實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)控制。該方案存在的缺點(diǎn)是，DC／ DC 變換器電路較為復(fù)雜，成本相對(duì)偏高，可靠性偏低；每增加一級(jí)DC／ DC 變換器，驅(qū)動(dòng)效率相應(yīng)降低，且易伴生電磁干擾（EMI）；不同類(lèi)型光源的每路LED 負(fù)載的電壓、電流及功率存在差異，通用DC／ DC 變換器的設(shè)計(jì)很難標(biāo)準(zhǔn)化，給產(chǎn)業(yè)化帶來(lái)很大不便。

研究認(rèn)為，LED 在利用電容實(shí)現(xiàn)多路恒流驅(qū)動(dòng)的情況下，同時(shí)參與電路諧振，改變變換器特性，更容易實(shí)現(xiàn)LED 整體的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)在成本上可以得到大幅度的降低。提出三種新技術(shù)方案：

2．1 兩級(jí)變換實(shí)現(xiàn)LED 多路驅(qū)動(dòng)

如下圖6 所示主電路采用了兩級(jí)變換實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的多路驅(qū)動(dòng)，電路包含高頻脈沖交流源、阻抗網(wǎng)絡(luò)Z1 和高頻變壓器T0、高頻諧振電容Cb1、雙路整流濾波電路和LED 負(fù)載。阻抗網(wǎng)絡(luò)Z1 的輸入為高頻脈沖交流源，輸出接高頻變壓器T0原邊，變壓器副邊的一端串聯(lián)諧振電容Cb1，另一端并聯(lián)兩路整流濾波電路；二極管D1、D4 和二極管D2、D3 分別組成的兩個(gè)獨(dú)立的半波整流電路，以及濾波電容Co1、Co2 相應(yīng)組成兩路整流濾波電路；濾波電容Co1 和Co2 分別并聯(lián)在兩路LED 負(fù)載兩端，兩路獨(dú)立的半波整流電路分別給兩路LED 負(fù)載提供電源。諧振電容Cb1 一方面與阻抗網(wǎng)絡(luò)Z1 組成了高頻諧振網(wǎng)絡(luò)，參與主電路諧振，另一方面，當(dāng)兩路LED 負(fù)載出現(xiàn)壓降不平衡時(shí)，還可通過(guò)Cb1 來(lái)平衡兩路LED 的壓差，使兩路LED 負(fù)載工作電流平均值相等。

如下圖7 所示電路為高頻諧振網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方式。阻抗網(wǎng)絡(luò)包括諧振電感Lr、Lm 和高頻變壓器原邊諧振電容C0，諧振電感Lm 與高頻變壓器T0 原邊并聯(lián)，該并聯(lián)環(huán)節(jié)與諧振電感Lr 和諧振電容C0 串聯(lián)，Cb1 為變壓器副邊諧振電容。諧振電感Lr 和Lm 可以是外置的獨(dú)立電感，Lr 也可以是高頻變壓器T0 的漏電感，而Lm 則也可以是T0 的勵(lì)磁電感。由于諧振電容Cb1 參與主電路的諧振變換，改變了增益曲線，其等效折算到變壓器原邊的取值和原邊諧振電容C0 可比，加快了變換器的響應(yīng)速度，避免由于大容量電容引起在起機(jī)等動(dòng)態(tài)條件下輸出過(guò)沖。

2．2 新型正反激電路實(shí)現(xiàn)LED 多路驅(qū)動(dòng)

前述技術(shù)方案中，高頻脈沖交流源必須是正負(fù)對(duì)稱(chēng)的方波電壓脈沖，以保證諧振電容Cb1 在兩路負(fù)載不平衡時(shí)起到較好的均流作用，這樣要求前級(jí)電路必須是雙開(kāi)關(guān)管的橋式電路。作為技術(shù)的進(jìn)一步突破，開(kāi)發(fā)了一種新型的正反激電路多路輸出驅(qū)動(dòng)拓?fù)?，如圖8 所示，變壓器原邊采用了單開(kāi)關(guān)管S1，在變壓器副邊的一個(gè)整流回路中串聯(lián)高頻電感L1。當(dāng)原邊開(kāi)關(guān)管S1 導(dǎo)通時(shí)，變壓器Ta1 儲(chǔ)能，副邊通過(guò)電容Cb1，二極管D3，電感L1，負(fù)載A1，二極管D2 構(gòu)成電流回路，變壓器工作在正激狀態(tài)；當(dāng)原邊開(kāi)關(guān)管S1 關(guān)斷時(shí)，變壓器Ta1 釋放能量，副邊通過(guò)二極管D1，負(fù)載A2，二極管D4，電容Cb1 構(gòu)成另一個(gè)電流回路，變壓器工作在反激狀態(tài)。在正激回路中，諧振電容Cb1、高頻電感L1 諧振，從而使得二極管D2、D3 工作在零電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)，減小二極管的反向恢復(fù)損耗，提高效率。當(dāng)兩路負(fù)載出現(xiàn)壓降不平衡時(shí)，電容Cb1 仍然能起到平衡負(fù)載電流的作用。

2．3 PFC 電路備份

在中大功率應(yīng)用場(chǎng)合，作為前級(jí)有源PFC 電路，BOOST升壓電路是最常用的拓?fù)洹?/p>

由于PFC 電路通過(guò)整流電路直接與電網(wǎng)相連，因此電網(wǎng)里的浪涌或是雷擊等因素容易造成PFC 電路故障。當(dāng)PFC 電路故障時(shí)，容易造成后級(jí)負(fù)載不能正常工作，可分為以下兩種情況：第一種情況，后級(jí)負(fù)載因PFC 電路的故障而斷電造成不能工作；第二種情況，雖PFC 電路故障但仍能提供電流通路時(shí)，由于PFC 電路故障使得其輸出電壓不再穩(wěn)定，而是跟隨電網(wǎng)的波動(dòng)而變化，造成負(fù)載上的電壓紋波過(guò)大，造成負(fù)載的工作性能差，比如效率降低。

如何保證PFC 電路損壞后，還能保證后級(jí)電路正常工作，是該技術(shù)解決的主要問(wèn)題。如下圖9，在PFC電路的輸出串聯(lián)一個(gè)PFC備份電路，當(dāng)PFC電路正常工作時(shí)，PFC 電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能，PFC 備份電路僅用于提供電流通路；當(dāng)PFC 電路故障時(shí)，PFC 電路僅用于提供電流通路，PFC 備份電路用來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。這樣PFC 電路和PFC 備份電路可以有條件地交替工作，保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。

從LED 照明的可靠性及成本來(lái)看，多路驅(qū)動(dòng)的模塊化LED 燈具將成為未來(lái)LED 照明的趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行多路LED驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)開(kāi)發(fā)，主要是基于新型正反激組合變換器LED 驅(qū)動(dòng)電源研究，采用電壓型變頻控制，三級(jí)變換器電路均工作在臨界模式，此技術(shù)可以提高驅(qū)動(dòng)電源的可靠性，但是電路復(fù)雜，成本較高。本研究項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于：

（1）突破傳統(tǒng)三級(jí)變換實(shí)現(xiàn)LED 的多路驅(qū)動(dòng)思路，采用兩級(jí)變換實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 的多路驅(qū)動(dòng)。利用諧振電容參與主電路的諧振變換特性，改善了變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小變換器起機(jī)等動(dòng)態(tài)條件下對(duì)LED 負(fù)載的沖擊電流，提高驅(qū)動(dòng)的可靠性。同時(shí)利用諧振電容實(shí)現(xiàn)對(duì)多路輸出負(fù)載電流的均衡，實(shí)現(xiàn)了多路輸出間高精度的均流特性，具有成本低、體積小、效率高等特點(diǎn)。新型的電路拓?fù)洌鉀Q了多路驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)路及短路保護(hù)問(wèn)題，任何一路損壞保證其它路輸出正常，最大限度保證了電路的可靠性。同時(shí)保護(hù)電路對(duì)LED 負(fù)載沒(méi)有任何沖擊電流，進(jìn)一步提高電路的可靠性，降低成本。

（2）提出新型的單開(kāi)關(guān)正反激多路輸出電路，主電路原邊只有一個(gè)開(kāi)關(guān)管即可以實(shí)現(xiàn)變壓器副邊多路輸出的均流控制，進(jìn)一步降低了電路成本；由于主變壓器實(shí)現(xiàn)雙向利用，減小變壓器體積，提高效率；副邊的均流電容不僅實(shí)現(xiàn)了多路輸出的均流控制，同時(shí)和均流電感形成諧振回路，從而實(shí)現(xiàn)副邊整流二極管的零電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)，降低二極管反向恢復(fù)損耗，減少電磁干擾，進(jìn)一步提高效率。

（3）提出PFC 電路的備份思路，前級(jí)PFC 電路做了PFC 備份電路，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中當(dāng)PFC 電路故障時(shí)易造成后繼電路不能正常工作的問(wèn)題，且保證了后級(jí)負(fù)載的工作性能不會(huì)受PFC電路故障的影響，進(jìn)一步保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。

3、結(jié)語(yǔ)

本文研究的多路LED 驅(qū)動(dòng)電源關(guān)鍵技術(shù)，采用兩級(jí)變換實(shí)現(xiàn)LED 多路驅(qū)動(dòng)，通過(guò)單開(kāi)關(guān)正反激多路輸出電路，只用一個(gè)開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)多輸出均流，采用PFC 電路備份，已完成專(zhuān)利申請(qǐng)，產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)：1．多路輸出效率：＞0． 92（室溫下）；2．多路輸出均流度：≤5％（室溫下）；3．功率因數(shù)：＞0． 98（室溫下，在輸入電壓為110Vac 時(shí)） 4．防水等級(jí)：IP67； 5．環(huán)境溫度：－30 ～70℃。