大功率ＬＥＤ驱动电源的设计 光源, 稳定性, 安全性

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LED(Lighty Emitting Diode)，又称发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的半导体发光器件。
近几年，LED技术取得了突飞猛进的发展，在发光亮度和效率方面具有明显的提高，尤其是大功率LED，更被寄以厚望，并逐步取代以往的光源，成为照明领域的新一代绿色光源。它具有光效高、低功耗、寿命长、稳定性高、光色纯、安全性好、可控性强等优点。
然而大功率LED所需的驱动电源为直流的低电压，所以传统上用以驱动灯泡(钨丝)、日光灯、节能灯、钠灯等光源的电源并不适合直接驱动大功率LED;而普通的降压、稳压电源必须重新改良后，才能适用于驱动大功率LED。
本文根据大功率LED的工作特性，对市场上常见的驱动电源进行分析;提出了在路灯照明领域的应用中，为了能更好的发挥大功率LED的优点，驱动电源必须满足恒流输出、散热、效率、功率因素、过压过流过温保护等多个设计要素。
一、大功率LED的工作特性
下图为正向导通压降(VF)和正向电流的(IF)非线性关系曲线图。由曲线可知，当正向电压超过某个阈值，即通常所说的导通电压之后，可近似认为，IF随着VF的上升而急剧上升;由图可知，大功率LED是低电压、大电流的发光器件，当前大功率LED的最高IF可达1A，而VF一般为2～4V。


由于大功率LED的光特性通常都描述为电流(IF)的函数，而不是电压(VF)的函数。加上LED生产工艺和温度的不同，大功率LED的正向压降(VF)变化范围会出现比较大的波动(最大可达1V以上)，而由上图中的VF-IF曲线可知，VF的微小变化会引起较大的IF变化;其LED发光的强度由流过LED的电流决定，电流过强会引起LED的衰减，电流过弱会影响LED的发光强度。所以,采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性，并且影响LED的可靠性和寿命。因此，大功率的LED通常采用恒流源驱动，以保证大功率LED使用的安全性，同时达到理想的发光强度。
下图是LED的光通量(φv/lm)和温度(℃)与关系曲线，由下图可知光通量与温度成反比，温度的变化对LED的波长也有一定的影响，因此，良好的散热是LED保持恒定亮度的保证。


二、恒电压源模式
2.1、工频变压器线性稳压源

2.1.1、电路构成与工作原理
如图(三)所示，这类电源的共同特点是由工频变压器，整流滤波电路、恒压电路组成;
该类型电路工频变压器原、副线圈完全隔离，通过调整原副线圈的变比，就可以在副边得到需要的交流电压，该工频变压器起到了隔离、降压的作用。通过后继的整流和稳压电路，就可以得到预期的直流电压。
2.1.2、优点：电路简单、成本很低
2.1.3、缺点：损耗大，效率低，体积大，温升高，亮度不稳定
该类电路的工频变压器起到降压的同时，自身的损耗也会随负载的增大而明显增加，导致严重的温升现象;同时能量转换的效率也会变低;另外由于该变压器的物理结构，限制了该电源体积的变小化。
该类电路在驱动大功率白光LED时，必须串联了一RES来限制和稳定流经大功率白光LED的电流，否则一旦工作电流过大，超过了大功率白光LED的最大工作电流，则会导致大功率白光LED的永久性损坏，然而增加限流电阻的方法，不但增加了能量的过多损耗，而且不能解决工频电压的波动而导致的发光亮度不稳定的问题;
该类电路的工频变压器的线圈变比决定了大功率白光LED的串联数量，一旦选定了工频率变压器，则就难以增加大功率白光LED的串联数量。为了满足不同的发光亮度需求，只能以并联的方式来增加大功率白光LED的数量，但是因为大功率白光LED的属性(导通电压、温度)不同，很难实现流经每个并联LED分支有相同的电流，从而会出现各并联的分支LED的发光亮度不一致的现象。
该类电路的电能转换效率低，不能实现节能的目的;工频电压的波动和电路的温升导致的大功率白光LED的发光亮度不稳定，使得该电路不适用于路灯照明领域。
2.2、高频变压器开关稳压源


2.2.1、电路构成与工作原理
如图(四)所示，这类电源的共同特点是具有高频变压器，直流电压是从变压器次级绕组的高频脉冲电压整流滤波而来。变压器原副线圈是隔离的，而输入电压是直接从交流市电整流得到的高压直流。
2.2.2、优点：功耗小，效率高，体积小，重量轻，稳压范围宽
2.2.3、缺点：控制电路比较复杂，对元器件要求高，亮度不稳定
该类电路使用了大功率开关晶体管、快速恢复二极管以及高频变压器，开关转换速度很快，这使得大功率开关晶体管的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高;由于没有采用笨重的工频变压器，大功率开关晶体管的功耗又很小，省去了较大的散热片，所以电源的体积小，重量轻;关键在于该类电路的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，工频输入信号电压的变化可以通过脉冲调制来进行补偿，在出现电网电压变化较大时，仍能保证有较稳定的输出电压。
该类电路在驱动大功率白光LED的原理上和工频变压器线性稳压源一样，采用的是恒压限流的方法，没有符合大功率白光LED的非线性V-I曲线特性，所以在性能方面，仍存在串并连发光亮度不稳定和发光亮度不一致的问题;
该类电路较之工频变压器线性稳压源，在效率、体积、稳压范围方面有显著的改善，所以在其他一些照明场合使用比较多，但该类电路仍不适合于路灯照明领域。