【導讀】LED以其長壽命、低功耗、高效安全的優(yōu)勢被應用于各個領域，隨著相關技術的發(fā)展，LED也被應用于更廣泛的領域，LED的輸出光流明數(shù)、波長與電流、PN結的溫度息息相關。常規(guī)的驅動電路不能有效滿足LED照明驅動的要求。本文從LED燈珠的驅動特性出發(fā)，結合LED驅動特性提出自適用照明驅動。
1、LED驅動特性
LED作為半導體冷光光源，它同白熾燈、鹵素燈、汞燈具有明顯不同的驅動特性。
1.1、電參數(shù)特性
電流-電壓特性是LED的基本物理特性，它同一般PN結類似，具有死區(qū)電壓。當輸出電壓超過死區(qū)電壓后，隨著電流的增加，PN結電壓變動不大。PN結標稱工作電流的大小取決于LED規(guī)格，如<5-高亮白光LED，標稱值為20mA，<10標稱值為80mA，而1W的LED標稱值電流為360mA。另外，PN結的壓降大小除了與PN結電流和溫度有關外，它還取決于制造材料特性。比如:當PN結溫度為25o，電流為20mA時，<5-高亮白光PN結電壓約3.1V，而<5-高亮黃光LED的PN結電壓約2V。
1.2、光學特性
電流-光通量特性是LED作為照明設計的重要指標。LED輸出光通量的大小同PN結的電流大小有關，在規(guī)定電流范圍，輸出光通量同電流成正相關。不同的制造封裝廠家生產的相同規(guī)格的LED，它們的電流-光通量具有較大的區(qū)別。在20mA條件下對幾個不同廠家封裝的子彈頭<5-高亮白光LED樣品的光通量進行測試，發(fā)現(xiàn)其光通量分別為4lm、3.54lm、3lm、2.5lm，有較大差別(說明:本測試數(shù)據(jù)以廠家提供的樣品為測試對象)；另外，在電流不變的情況下，隨著工作時間的增加，光通量均有所降低。
1.3、溫度特性
光譜特性是LED光源顯色指數(shù)和色溫的重要依據(jù)。實驗測試發(fā)現(xiàn)，在PN結電流不變條件下，隨著PN結溫度的升高，LED光源發(fā)出的波長將向長波方向移動。
根據(jù)LED驅動特性的分析可見:
(1)不同的LED所需的工作電壓、驅動電流不同；
(2)驅動電流不變的情況下，隨著工作時間的增加，光通量有所降低；
(3)驅動電流不變的情況下，隨著溫度的升高光通量降低。而LED作為一般照明必須保證其輸出光強對時間和溫度具有相對穩(wěn)定性。因此，必須設計具有自適應功能的LED驅動電路，以提供適當?shù)墓ぷ麟妷?、驅動電流，并使其對工作溫度等外部條件變化引起的出光特性變化作出自適應調整，以達到最佳的照明效果。
2、具體LED驅動電路設計
結合LED驅動特性，以功率約為25W的辦公室照明燈組驅動電源的設計為實例。其中，使用100顆Φ10-LED，采用LED陣列聯(lián)接形式，即:20顆燈珠串聯(lián)，然后5串并聯(lián)。
針對以上設計對象特性，本文提出了基于開關電源的LED自適應驅動方案。其總體框圖如圖1所示。
2.1、sa7527主控芯片
該結構的主控制芯片采用8腳封裝的sa7527[5]。sa7527是一塊功能強大的芯片，它除了通用的PWM控制芯片的功能外，還提供了內置R/C濾波器、啟動定時器、過電壓保護、零電流檢測、乘法器、內部帶隙基準以及特殊防擊穿電路等功能，內部框圖如圖2。
根據(jù)開關電源高頻變壓器的基本理論:輸出功率25W，開關頻率取30kHz時，選定變壓器磁心為EI25磁心。這種結構的磁心與環(huán)形磁心相比具有線圈繞制方便、分布參數(shù)影響小、磁心窗口利用率高、散熱性好、系統(tǒng)絕緣可靠等優(yōu)點；考慮到線包損耗與溫升，把電流密度定為4A/mm2，那么初級和次級用<0.41線徑的漆包線繞制，反饋用<0.19漆包線;計算輸入/輸出電壓比例關系確定初/次級匝數(shù)比為:120匝:40匝，另外再加8匝sa7527反饋繞組。
為了減小分布參數(shù)的影響，初級采用雙線并繞連接的結構，次級采用分段繞制，串聯(lián)相接的方式。在變壓器的絕緣方面，線圈絕緣選用抗電強度高、介質損耗低的復合纖維絕緣紙。
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2.3、功能單元設計
2.3.1、寬電壓輸入
把輸入整流高壓取樣信號與輸出的檢測電壓分別輸入sa7527乘積運算的兩輸入端3腳和2腳(MUL端子和SO端子)，運算結果作為PWM的控制信號；當輸入電壓降低時，乘積運算的結果減小，使PWM脈寬輸出增大，保證了在寬輸入范圍條件下輸出的穩(wěn)定。
由于sa7527乘法器MUL端子的電壓輸入范圍為0～3.8V，為了保證輸入電壓的寬范圍，我們設正常工作電壓2V(近似中間值)。因此，高壓分壓電阻比為:
2.3.2、恒流/恒壓功能
利用輸出端的電流取樣和電壓取樣信號，通過光電耦合器件反饋到sa7527的反向控制輸入端1腳(INV端子)。當輸出電流的取樣電阻壓降超過0.7V時，流過光耦的電流主要受開關電源輸出電流大小控制，此時開關電源工作在恒流輸出狀態(tài)；否則為恒壓輸出狀態(tài)，并且輸出電壓大小取決于精密三端穩(wěn)壓TL431穩(wěn)壓大小。這樣的自動恒流/恒壓特性有利地保護了LED出現(xiàn)開路以及短路時可能導致的連鎖性破壞。
反饋信號隔離器選用光電耦合器PC817，它的電流傳輸比為1:1，工作電壓VCE>1V，正向工作電流IF>1mA。由于INV端子正常工作電壓為2.5V，若取電流/電壓轉換電阻R10=1kΩ，則光耦的前向工作的電流IF=2.5mA。
因此，由三極管Q3、電流取樣電阻R18和光耦PC817組成恒流反饋環(huán)節(jié)。當輸出電流變化時，取樣電阻R18的壓降引起Q3基極電壓的改變，使得通過光耦PC817的電流發(fā)生改變，從而達到穩(wěn)流的目的。恒壓輸出大小由TL431精密穩(wěn)壓源確定。該穩(wěn)壓器的基準電壓為2.5V，并且工作電流IRCE1mA，那么開關電源恒壓輸出時電壓為:
2.3.3、自動光衰補償功能
由于PN結溫度升高以及工作時間的增加將引起輸出光通量減低，而驅動電流適當增大則可提高輸出光通量。因此，為保持輸出光強穩(wěn)定性，利用光敏電阻RW和溫敏電阻RT實現(xiàn)光衰的自動補償。當RT檢測到LED工作溫度升高時，MUL端子對地的等效電阻降低，MUL端子輸入信號變小，使得輸出電流大小隨溫度的升高而有所上升，有效地補償了溫度升高后LED光通量減低的矛盾。另外，PN結溫度升高將引起PN結壓降的升高，驅動電源可能過早的從恒流轉入恒壓工作的情況，從而影響LED光通量的穩(wěn)定性。為此，在輸出端子引入恒壓輸出電壓補償端子，當溫度升高時，適當提高恒壓啟動的轉折點電壓，從而可靠的實現(xiàn)恒流/恒壓功能。
3、應用實例
我們使用100顆明學Φ10-LED，采用的陣列形式聯(lián)接，并均勻的鑲嵌在600mm×600mm的鋁塑天花板上，如圖4所示。對開發(fā)的25W辦公照明驅動電路進行實際測試(具體電路參數(shù)如圖3)，輸出功率為約25W，工作電壓約為63V，驅動電流約為400mA。在標準負載條件下，功率因素為0.92，效率為87.5%，電壓輸入范圍達82～290V，自動恒流精度±0.4mA，過電壓自動轉入恒壓功能，隨著溫敏電阻阻值的變化，恒流輸出電流值發(fā)生相應的改變，最大變化幅度為8mA。
結語
本文在LED的光電參數(shù)特性前提下，提出一種基于sa7527開關電源結構的LED驅動電路。該驅動電路克服了常規(guī)LED驅動電路的缺陷，對LED溫度升高引起的光衰進行了自動補償。實際試驗表明，該驅動電路高效、安全、可靠，可廣泛用于各種LED產品的照明驅動。
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