led驱动电源范文
时间：2023-03-24 15:04:52
导语：如何才能写好一篇led驱动电源，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
步骤/方法
led路灯电源的选择要点
第一点.根据负载特性选取适当控制方式的LED路灯电源
现在市场上出售的LED路灯电源种类繁多,功能也日益强大,LED路灯电源的性能也越来越成为调速性能优劣的决定因素,除了LED路灯电源本身制造工艺的“先天”条件外,对LED路灯电源采用什么样的控制方式也是非常重要的。下表综述了近年来各种LED路灯电源控制方式的性能特点。
综上所述,异步电动机变频控制选用不同的控制方法,就可以得到不同性能特点的调速特性。
第二点.根据安装环境选取LED路灯电源的防护结构
LED路灯电源的防护结构要与其安装环境相适应,这就要考虑环境温度、湿度、粉尘、酸碱度、腐蚀性气体等因素,这与LED路灯电源能否长期、安全、可靠运行关系重大。
LED路灯电源原理
LED驱动电源是有电路来控制开关管而进行高速的道通和截止。是将直流电转化成高频交流电来给变换器进行变压,使其产生所需要的一组或多组电压!转化为高频交流电的道理是高频交流在变压器电路中的效率要比市电50Hz或60Hz高。因此开关电源变压器可以做到体积很小,在开关电源工作的时候不会很热,产品价格比工频直流稳压电源低.如果不将50Hz或60Hz变为高频电,那么开关电源就没有任何意义。开关电源大体可以分为隔离和不隔离这两种,是隔离型的一定有开关电源变换器,而不隔离的未必一定有开关电源变换器。开关电源与传统直流电源相比具有体积小、重量轻、和效率高等优点
LED路灯电源的分类
1、按驱动方式可分为两大类
1.1 恒流式
a、 恒流驱动电路输出的电流是恒定的,而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化,负载阻值小,输出电压就低,负载阻值越大,输出电压也就越高;
b、 恒流电路不怕负载短路,但严禁负载完全开路。
c、 恒流驱动电路驱动led是较为理想的,但相对而言价格较高。
1.2 稳压式
a、 当稳压电路中的各项参数确定以后,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;
b、 稳压电路不怕负载开路,但严禁负载完全短路。
c、 以稳压驱动电路驱动LED,每串需要加上合适的电阻方可使每串LED显示亮度平均;
2、按电路结构方式分类
电阻、电容降压方式
通过电容降压,在闪动使用时,由于充放电的作用,通过LED的瞬间电流极大,容易损坏芯片。易受电网电压波动的影响,电源效率低、可靠性低。
常规变压器降压方式
电源体积小、重量偏重、电源效率也很低、一般只有45%~60%,所以一般很少用,可靠性不高。
电子变压器降压方式
电源效率较低,电压范围也不宽,一般180~240V,波纹干扰大。
篇2
关键词：小功率LED；驱动电源；电路；变压器
1 引言
在全球“节能减排”大背景下，LED作为一种节能型新光源在城市景观、交通指示和公众广告等行业都有着相当广泛地应用。LED具有高效、长寿命、低功耗和安全等优点。LED光源与其他光源主要区别在于LED光源需要一个恒流源驱动电源。
2 方案比较选择
升压式有源功率因数校正方案具有输出电流纹波小、效率高、磁性元器件设计简单等优点。但电路结构复杂、成本较高不适于大批量生产。
反激式有源功率因数校正方案只需要一级就可以实现功率因数校正和输出恒压/恒流的要求。具有电路结构形式简单、成本低等优点。
临界模式在照明和其他低功率应用中很常见，成本低廉，设计简单，适合大批量生产。综合成本、生产性等因素，选用临界反激模式有源功率因素校正方案。
3 电路设计
该电源设计重点为变压器设计，驱动芯片为L6561。本文侧重介绍变压器理论推导和主要参数设计。主要参数包括：输入电压 ＝176VAC～264VAC，输出功率Po（max）＝17W，输出电流Io＝0.34A～0.36A，输出电压 ＝25VDC～50VDC，效率 ≥85%，功率因素PF≥0.95。
变压器设计需进行理论分析，理论分析中所涉及参数及其意义分别如下所示： 、 、 分别为初级、次级与辅助绕组匝数， 为匝比， 为输入功率， 为磁芯电感系数， 为输入电压有效值， 为初级电感量， 为初级电流有效值， 为初级电流峰峰值， 分别为开关管周期、导通时间和关断时间
……输出电压； ……驱动电源效率。
由功率与电压电流关系推导初级峰值电流：
4 变压器主要参数设计
（1）初级电感量设计
L6561芯片最小驱动频率 ,考虑到EMI设计要求，选取 ,综合考虑次级反射电压、初次级电流峰峰值等要求，取 =4， =170V， =51V。根据3.1推论的结论可知：
5实验结果
根据以上设计，制作了原理样机。常温时测试驱动电源参数，当=220VAC，Io=0.355A， =47.8V时，主要测试参数如下：PF≥0.967， ≥86.7%。
6 结论
篇3
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种能够将电能转化为光能的半导体。与普通白炽灯和日光灯相比，它具有寿命长、光效高、功耗低、零辐射等显著特点。LED半导体照明作为我国中长期科学和技术发展规划纲要（2006━2020年）中“三、重点领域及其优先主题中1能源(1)工业节能中高效节能、长寿命的半导体照明产品” 的重要组成内容，近三年来其全产业链得到了蓬勃的发展。但是与之相伴的是许多LED照明关键检测技术的相对滞后。
LED驱动电源，作为LED照明的关键组件，其作用是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电压转换器，其转换效率、输出稳定性和准确性将直接影响到LED的使用效果及使用寿命。2009年国家针对LED驱动电源专门出台了GB/T 24825-2009《LED模块用直流或交流电子控制装置 性能要求》，对“使用250V以下直流电源和50Hz或60H在、1000V以下交流电压，其工作频率不同于电源频率的电子控制装置”的输出电流电压、线路总功率、线路功率因数、电源电流等性能作出了规定。由于规程正式实施时间不长，行业检测技术空白较多，很多企业还是使用传统电参数测量仪作为LED驱动电源的检测设备。
传统的工频电参数测量仪的测量原理如下：
在图1所示的电参数测试原理框图中，V、A为电压、电流取样传感器，在采用过程中均为纯阻性取样，以确保取样信号无失真，无相移。然后通过放大，由A/D模数转换器将模拟信号转变为数字信号，并由单片机对采集到的数据进行计算，最后得到各项输入特性参数：电压有效值、电流有效值、有功功率、功率因数等。由于LED驱动电源本身设计的特殊性，会造成传统电参数测量仪因本身设计原理不足而造成系统测量误差。
其一，直流测量数值偏小。由于LED驱动电源实质上是一个逆变电源，其输入包括高压工频交流（即市电）、低压高频交流（如电子变压器的输出）等，其输出则大多数为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源。即，实际完成了ACDCDC的逆变过程。当进行高频信号转换时，传统工电参数测量仪器的频响通常小于10kHz，造成了许多高频信号无法采样获得，最终转化为直流后其测量数据会偏小。因此，为了有效采集输入信号，对LED驱动电源进行直流输入测量时，应提高检测设备的测量频响。如当检测设备的直流输入频响达到1MHz时，即可对1MHz内的任何电流成分精确捕捉测量。
其二，电子镇流器的功率因数和电流测量，是LED驱动电源的检测设备另一个区别于传统工频测量仪器的关键。
电子镇流器的高频反馈对电网影响很大，必须予以滤除。若测量有高频反馈而滤波器未设计合理的驱动电源时，传统工频测量仪器会出现如下测量误差：1）电流测量值数据偏小；2）功率因数测量值偏大（即通常所说的假高功率因数）；3）测量读书跳动较大，显示数据不稳定。因此在实际检测中，LED驱动电源检测设备可以以高通滤波器和低通滤波器相结合的方式，实现对45Hz～1MHz范围内电流信号的准确测量。LED驱动电源检测设备提供两种频响测试方案，即窄频（45Hz～5kHz）和宽频（45Hz～1MHz）。当窄频测试与宽频测试数据差不多，表明高频反馈基本已滤除，滤波器已达到效果；如果两者测试数据相差较大，则表明应改进滤波器。这种测试方式不但保证了测量各种电子镇流器的电流和功率因数的准确性，同时还给电子镇流器设计人员提供了更有效的测试手段。
通过提高直流测量频响和窄频、宽频两套频响测试系统相结合这两种测量方案的改进，可以在很大程度上提高LED驱动电源输入/输出特性的检测，并为广大研发人员提供切实有效的监控手段。
参考文献
[1] 石宏伟，等. 高功率因数大功率LED路灯驱动电源的设计. 电子世界, 2011(12)
篇4
(广东职业技术学院，广东佛山528041)
【摘要】LED驱动电源在高职高专中是一门较新的课程，知识结构繁杂、注重实践能力，一般传统的理论教学不能满足行业人才培养的需要。介绍了构建基于校企合作平台的课程模式，将企业实际项目设计成为教学内容，利用校企合作进行项目与实境训练的教学，实施细致的考核方式等方面的教学改革探索。
关键词 LED驱动电源；校企合作；实践教学
TheCourseofLEDPowerDesignTeachingReformbasedonProjectTeachingandRealityofTraining
ZOUZhen-xingXIANGWei－bingJIANGYuHUANGHong－yong
(GuangdongVocationalandTechnicalCollege,FoshanGuangdong528041,China）
【Abstract】TheLEDpowersupplydesignisarelativelynewcourseinhighervocationalcollege,theknowledgestructure,payattentiontopracticalability,generaltraditionalteachingtheorycannotmeettheneedsoftheindustrypersonneltraining.Inthispaper,constructinguniversity-enterprisecooperationplatformbasedcurriculummode,theenterpriseactualprojectdesignbecometheteachingcontent,usingtheuniversity-enterprisecooperationprojectsandrealitypracticeteaching,theimplementationofdetailedexaminationwaytoexploreaspectsofteachingreform.
【Keywords】LEDpowersupply;University-enterprisecooperation;Practiceteaching
0引言
LED的发展使得其专业的划分越来越细，LED驱动电源是其中的一个比较特别的分支专业，驱动电源作为LED照明产业的能源保障，被比喻成系统的“心脏”，是保证LED系统正常、可靠运行的基础。现国内院校都比较少开设LED驱动电源专业课程或者开设了相对比较偏重理论的电源教学，使得在快速发展的LED行业里真正能从事电源设计人才缺口相对较大。
目前，LED驱动电源主要是以开关电源为主[1]，它的原理看似并不是很复杂，但实际要想设计一个合格的电源，要涉及电子电路、控制理论、半导体物理、磁学等众多学科，对设计者的专业要求很高，因此对在高职院校的初学者往往会历尽艰苦，仍不得其门而入。为了顺应地区LED行业对复合型人才的需求趋势，依托我院中央财政支持的LED新型光源专业建设的平台，我们开设了《开关电源与LED电源驱动设计》课程。对该课程进行以项目驱动、分层次和按企业岗位实施实境训练的教学改革。
1基于行业实际应用LED驱动电源项目，构建理论与实践技能相结合课程教学体系
通过走访相关企业进行调研分析，针对以LED驱动电源工程师等岗位具体要求和职责，以职业化培养为教学主线，构建了基于典型岗位能力的课程模式。《开关电源与LED驱动电源设计》是一门综合性课程，重在实际应用，兼顾技术理论分析计算和基础知识。所以改革要求在教学过程中，系统地、分阶段地引入不同技术含量的LED驱动电源项目作为载体，承载课程所涵盖的知识和技能。通过企业项目导向，使学生在学习、设计、分析LED驱动电源产品或作品的过程中逐步掌握专业的基本技能、核心技能和拓展技能。教学设计改革具体内容按企业项目教学实施时分为四大任务，其内容及课时安排如下表1所示。
设立了4大教学任务8个实训项目。通过项目任务教学激发学生的兴趣，利于培养学生的创造性思维。我们在实境教学设计中设置了多个模块的实训项目以及综合性较强的实践项目，有利于培养学生的综合职业能力。
课程总体开发流程如图1所示。将企业中LED驱动电源常见的设计项目细分与教材结合成上课的教学任务内容，一个工作任务可能涉及多个技能和知识点，而一个技能和知识点可以指导多个工作任务的实施。
项目细分为各个不同应用实境训练情境及任务知识点，内容循序渐进，难度由浅渐深，以利于专业知识的融会贯通。针对不同学生具有不同的学习基础，进行分层次教学，重点培养各自适应岗位的技能教学，使大部分学生具有一定特长的技能应用型专门人才。
图1《开关电源与LED驱动电源设计》课程内容设计流程
2充分利用社会资源共建校企合作平台，以职业化培养模式进行教学
LED驱动电源课程知识结构繁杂、注重实践能力，若采用传统的课程理论教学难以形成良好的学习效果，而且会使学生学习失去兴趣。在课程理论讲解过程中往往也会相对枯燥和难懂。本课程改革在校内从开关电源基本原理、LED驱动电源电路元器件电气特性等基础理论入手，到常用开关电源拓扑架构的详细讲解，常用开关电源拓扑在不同应用中的设计，再结合特定芯片的运用进行项目讲解，分析项目的输出特性、电源性能参数、可靠性以及稳定性等。除此之外，我们充分利用地区行业资源，加强与当地的LED企业祥新光电的协同创新合作，在祥新光电设立课程实训企业课堂-光电学院，大胆改革传统教学模式，大幅提高实验实训课比例，创造真实的企业环境和工作情境，灵活实行校内——校外——校内——校外的教学模式。充分利用校企合作平台，安排学生到电源车间实践，校企人员互派，双方指导人才培养，共同探索的现代学徒制教育，实现共赢互利。以基础、实用为原则，通过企业提炼选择实例项目，结合支撑知识与技术点的学习形式，循序渐近地讲解了LED驱动原理并进行相关应用项目的实践，学会主要基于开关电源的LED驱动拓扑设计的各种方法与要点[2]。形成依照基本技能训练、专业能力实训、实境训练三层的实践能力递进的培养方式。
课程改革是以针对电源设计的特点实施“以项目为导向、实境训练”的教学模式。课程设计的企业实境训练共有8个项目。LED驱动电源项目在“课内课堂”中学习、分析、设计，在“企业课堂”实境训练中认识、熟悉、实践，然后回到“课内课堂”总结、深化、理解,最后在“企业课堂”中检测、求证、掌握，形成校内——校外——校内——校外的灵活教学模式；学生还可再通过课余的“第二课堂”得到知识的巩固和发挥——即学生借助学校网络资源平台、开放的实训室环境，组成日常兴趣小组，参加各级别技能大赛，参与校内工作室项目工作等，使“课内课堂”、“企业课堂”中所学的知识、技能得到运用、扩展，自学能力得到加强，创新能力得到发挥。
利用社会资源共建良好的人才培养模式，以职业化培养为教学，创造真实的企业环境情景和项目任务，可以增强学生学习目的性、能动性和实现早期的职业生涯规划，有利于学生实践能力的锤炼、实践经验的积累，以及创新精神的培养，最终培养出真正符合社会需要的高素质技能型人才[3]。
3细化课程考核方式，强调知识、能力和素质的全面培养
考虑到LED驱动电源课程的教学设计的实践性强的特点，采用传统的理论考试方式，并不能很好激励学生和让学生掌握相关技能，所以在设计课程考核的方式时，采用理论考核与实践考核相结合，笔试与实践制作表现评价相联系的方式，强调知识、能力、素质的全面培养。具体考核点如表2所示。着重考核学生掌握所学的基本电路拓扑理论和技能，能综合运用所学知识和技能去分析电路、实践调试和测试电路、分析电路故障及排除电路故障的能力。
4结束语
基于项目驱动、实境训练的《开关电源与LED驱动电源设计》课程内容改革与实践正处于开始尝试阶段，从初步实施的效果看，学生在光电学院上课，能够很好进行技能的实际操练，对动手能力有极大的提高。专业课程体系的构建是高职教育培养高端技能型专门人才的重要环节，是决定如何培养学生，培养什么样学生的关键，也是高职教育特色所在。LED驱动电源课程的构建正是围绕“这个项目为什么这样做”、“怎么来解决项目问题”、“采用这种方法会有什么结果”等几个方向来进行。校企产学研结合是办好高职教育的重要措施，是解决就业的根本之路。通过与祥新光电的合作，在学生“学”的同时安排他们进行“产”的工作，学产结合，不断提高学生的实践能力、理论能力以及企业适应能力。该课程教改的目的就是在于更好培养学生在校时的实践能力同时更要培养学生进企业后的后续发展的潜力，主动适应社会，接收社会的洗礼和挑战，满足当代教育培养技能应用型人才的需要。
参考文献
［1］梁奇峰,廖鸿飞．基于工作任务的《开关电源原理与分析》教学改革[J]．职业教育研究,2012(6):88－90．
［2］于雁南,高柏臣,严继池．开关电源技术教学改革实践与思考[J]．当代教育理论与实践,2014(6):58－60．
篇5
关键词：LED背光源；Boost拓扑；MCU控制；保护电路；恒流电路；2D＼3D调光电路。
中图分类号：TN312+.8 文献标识码：B
引 言
LED作为液晶电视的背光源在中大尺寸3D电视上的应用越来越广泛，图像在液晶面板上的显示是有顺序的，在3D显示中背光与液晶图像的同步会呈现出更好的显示效果。
本文基于Boost及MCU控制，设计一种具有扫描3D功能的侧导光LED背光源驱动电路，实现了一路Boost为LED提供驱动电压和MCU控制多路LED通断的架构，不但降低了系统成本， 而且不依赖专业芯片，不同路数的LED可以用同一个拓扑驱动，通用性强。
1 系统的构成
扫描式3D电视背光源驱动电路系统的结构如图1所示。电源板提供一个直流电源进入Boost电路做LED的驱动；MCU为整个系统的控制中心，负责信号的处理；反馈保护采样电路采样LED的低压端电压并将信号反馈给MCU；恒流及调光模块接收MCU的控制信号直接作用于LED的低压端。图1中LED的串数及每串的颗数都可调整，只要调整Boost电路的参数及选择相应IO口数目的MCU即可。下面介绍一下系统各模块工作原理及系统实现过程。
1.1 Boost电路的设计
Boost电路详图如图2所示。Boost做LED灯条恒流时的电压自适应，用简单的Boost芯片搭建即可。其中对输出做一个精度不高的反馈，后续LED灯条正端的电压细调通过MCU检测灯条负端来做反馈，电压的调整则通过Boost芯片Driver的调节占空比来实现的。本Boost芯片的CS脚具有过流保护功能。
1.2 MCU控制器
本设计针对8路LED控制，MCU选择28引脚闪存单片机：单片机时钟频率16MHz、A/D口11个、I/O口25个、定时器2个。整个系统的控制流程如图3所示：MCU实时抓取前段3D控制控制信号，当3D控制信号为高时，进入3D状态，通过检测场同步的上升沿和下降沿来触发背光第一串灯条的打开，灯条的打开时间及灯条之间打开的时间间隔用两个定时器作为中断触发条件，这样就可以用扫描的方式分时打开背光，完成背光与图像的同步；当主板的3D信号为低时，进入2D模式，根据PWM信号对背光进行同步调节。在2D或3D模式下MCU对灯条低压端进行实时监测，如果触发保护，则电路被关闭。
1.3 恒流及2D/3D调光电路
LED恒流电路如图5所示。检测电阻R7上的电压，获取2D与3D两种状态下的电流采样参考电平：R3上的电压较高时为3D状态，较低时为2D状态。运放的输入端具有虚短的特点，R2上的电平随即被设定，即R2所允许流过的电流被限定，从而LED的电流设定。当LED电流增大时，R2上的电压变大，反相输入端的电平高于同相输入端的电平，运放输出低电平，三极管V1的基极电平降低，V1的CE电流减小，从而减小了LED的电流。当LED电流减小时，R2上的电压变小，反相输入端的电平低于同相输入端的电平，运放输出高电平，三极管V1的基极电平升高，CE电流增大，从而增大LED的电流。如此循环，在动态过程中实现LED电流的恒定。在此过程中无需芯片的控制，电路自动反馈调整电流，实现电流恒定。
2D/3D调光电路如图4、5所示，VREF为MCU 供电电压VDD。在2D时，2D/3D IN信号为低电平，MCU芯片做出判断产生高阻态或低电平两种状态。当PWMIN为高时，MCU的PWM1 3D脚输出高阻态，此时VREF经过串联电阻R4、R6、R7到地，在R7上产生分压压降，LED恒流模块中的运放同相输入端获取R7上的电压作为LED恒流的参考电平，LED恒流模块打开LED；当PWMIN为低时，PWM1 3D脚输出低电平相当于接地，此时VREF经过串联电阻R4与MCU PWM1 3D脚内的N MOS管到地，此时电阻R7上无压降，LED恒流模块中的运放同相输入端在R7上获取不到电压，LED恒流模块关闭LED，从而实现2D下的调光控制。
在3D时，2D-3D IN信号为高电平，MCU做出判断采用高电平与低电平两种状态输出。依据外部PWMIN信号的状态，当PWMIN为高时，MCU的PWM1 3D脚输出VDD高电平，此时电阻R4串接在两个VDD电平之间，不产生电流，无压降，则VDD经过串联电阻R6、R7到地，由于没有电阻R4的分压，将在R7上产生一个较高的压降，LED恒流模块中的运放同相输入端获取R7上较高的电压作为LED恒流的3D参考电平，LED恒流模块打开LED；当PWMIN为低时，PWM1 3D脚输出低电平相当于接地，此时VREF经过串联电阻R4与MCU的PWM1 3D脚内的N MOS管到地，此时电阻R7上无压降，LED自恒流模块中的运放同相输入端在R3上获取不到电压，恒流模块关闭LED，从而完成3D下的调光控制。
1.4 反馈保护的实现
灯条保护电路是通过检测图5电路R10与R11之间的压差来实现的。当灯条正端或负端对地短路或开路时，此处的分压值为零，MCU通过IO口检测出此处的电压不正常，给出一个错误信号把电源关掉；当灯条正负短路在一起时，此处的电压过高，MCU同样能检测出错误信号关掉电源。MCU用作反馈电路也是对R10、R11间的电压进行检测，然后对各路检测结果进行比较得出最小的一路，让这个最小的与设定值进行比较，如果小于设定值则说明Boost电路输出的电路电压过低，那么就调低图4中MCU FBOUT脚的占空比（MCU是个数字脚），这样通过图4 C1的缓冲作用得出一个电压比较小的值，从而Boost提高输出电压；如果检测到的最小值大于自己设定的值，那么调高MCU占空比，实现实时反馈。
2 实验结果
实验样机2D模式下的工作参数：LED电流130mA，调光频率200Hz，占空比85%，由图6可见，电流恒流特征良好。
3D显示模式下背光电流波形如图7所示，实现了电流倍增（390mA）。小占空比大电流的情况下，能实现亮度基本不变的条件下在60Hz场同步下实现SG 3D的扫描。
3 结 论
本文设计了一种新型SG 3D侧导光LED背光源驱动电路，实现了2D显示模式下PWM调光及3D显示模式下扫描方式调光。该系统采用Boost和MCU调光相结合的方式，由于MCU直接对LED进行调光，省掉了专用调光芯片，且由于MCU具有可编程的特点，可以用来作保护电路及反馈电路，简化了原来的电路，后续维护上只需对程序升级就可实现，不需要重新布PCB。该设计对PIC微控制器在液晶电视LED背光驱动上的应用具有指导性意义。
本文设计了一种新型SG 3D侧导光LED背光源驱动电路，实现了2D显示模式下PWM调光及3D显示模式下扫描方式调光。该系统采用Boost和MCU调光相结合的方式，由于MCU直接对LED进行调光，省掉了专用调光芯片，且由于MCU具有可编程的特点，可以用来作保护电路及反馈电路，简化了原来的电路，后续维护上只需对程序升级就可实现，不需要重新布PCB。该设计对PIC微控制器在液晶电视LED背光驱动上的应用具有指导性意义。
参考文献
[1] Abraham I. Pressman 著，王志强等 译. 开关电源设计Switching Power Supply Design[M]. 北京：电子工业出版社，2005.
[2] Jasio Di 著，姜宁康，朱安定 译. PIC微控制器技术及应用[M]. 北京：电子工业出版社，2009.
[3] 童诗白，华成英. 模拟电子技术基础[M]. 北京：高等教育出版社，2001.
篇6
关键词： LED；驱动电源；匹配方式
中图分类号：TN312+.8 文献标识码：B
The Study of Driver Matching that Applied in High-power
LED Lighting
LIANG Jian-feng, WANG Hong
(School of Sciences, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510640, China)
Abstract: This paper analyzed the principles and working characteristics of High-power LED. The characteristics of LED determine which power driver to use. LED lighting needs constant current driver. The article expounds several matching types of LED driver, including all in series, all in parallel, series-parallel connection, crossed connection and distributed constant current. For high-power LED lighting, the distributed constant current driver is the future direction of development.
Keywords: LED; power driver; matching
引 言
自从出现发光二极管（light emitting diode，LED）以来，人们一直在努力追求实现固体光源。随着科技的不断进步，半导体材料应用技术的高速发展，白光LED固体光源的性能得到不断完善并进入实用阶段。白光LED是一种新兴产品，在照明市场备受瞩目。它与白炽钨丝灯和荧光灯相比，主要优点为体积小、发热量低、耗电量小、寿命长、响应速度快、耐振动和冲击以及无污染。LED固体照明是人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后新的照明革命。
从第一批LED进入市场的几十年间，LED的应用领域不断扩展，包括：大屏幕彩色显示、照明灯具、激光器、液晶显示屏背光源、探测器、交通信号灯等。在全球能源紧缺、环保要求不断提高的情况下，LED越来越多地进入到各种照明领域中，且LED作为新一代照明光源在照明市场中所占的比重也呈现出逐年递增的趋势。专家预计，LED产品将在十年内大范围替代常规照明产品，届时，LED将能成为家喻户晓的产品，带来可观的节能效果，LED进入通用照明市场已经不再遥远。
LED虽然在节能方面比普通光源的效率高，但是LED光源却不像一般的光源一样可以直接使用电网电压，它必须配有专用的电压电流转换设备，提供能够满足驱动LED的额定电压和电流，才能使LED正常工作。不同的LED照明灯具，不同的照明用途和功率大小，LED驱动电源的规格也不同。所以，选择合适、高效的LED电源，选择正确的驱动方式，才能真正展现LED光源高效能的特性。
1大功率LED的工作特性
LED的发光原理就是将电能转换为光的过程，将电流通过化合物半导体，通过电子与空穴的结合，过剩的能量将以光的形式释出，达到发光的效果。图1所示为正向导通压降（VF）和正向电流（IF）的关系曲线图，从图中可以看出，当正向电压超过某个阈值后，IF随着VF的上升而快速上升，较小的电压变化都会引起电流的较大变化。大功率LED的光特性通常被描述为电流IF的函数，图2所示为光通量和正向电流的关系曲线图。LED的光通量由流过LED的电流决定，LED光通量随着流过LED的电流的增加而增加，但却不成正比，越到后面光通量增加得越少。电流过强会引起LED的衰减，电流过弱会影响LED的发光强度，因此应使LED在一个发光效率最高的电流值下工作。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。这也决定着LED照明适合恒流驱动而不是恒压驱动，以保证大功率LED使用的安全性，同时达到理想的发光强度。
另外，LED的光通量和温度也成反比关系，高温会导致LED的光输出降低，LED的光波长向长波漂移，发光颜色发生变化。且温度的升高会使LED的正向电压降低，从而大大缩短LED的寿命，加速光衰。图3所示为不同热阻的的1W LED的允许顺向电流和环境温度的关系曲线图，从图中可知，当温度达到70～100℃时，LED的恒流需要线性地减少，直到120℃这一点达到零，恒流下降点和减少斜率取决于散热设计。因而，大功率LED灯具必须要有良好的散热性，对驱动电源而言，必须在温度过高时能够关断输出，起到保护作用。
2大功率LED与驱动电源的匹配方式
大功率LED已经广泛应用于照明、装饰类等产品，在设计LED照明系统时，需要考虑用什么样的LED驱动器，以及LED作为负载采用的串并联方式，合理的配合设计才能保证LED正常工作。用LED作为大功率照明灯具，通常都是由多颗LED组成，少则十几二十颗，多则上百颗。如此多的单独的LED组合在一起来组成发光组件构成照明灯具，已逐步应用于路灯、隧道灯、工矿灯、商用照明等场合。LED的连接方式直接关系到其可靠性和使用寿命。
2.1LED采用全部串联方式
如图4所示，LED采用全部串联方式，即将多个LED的正极对负极连接成串，其优点是通过每个LED的工作电流一样，一般应串入限流电阻R。串联方式要求LED驱动器输出较高的电压，当LED的一致性差别较大时，分配在不同LED两端的电压不同，通过每只LED的电流相同，LED的亮度一致性较好。
当有一颗LED发生短路时，如果是采用恒压电源驱动，由于输出电压不变，这样分配到每颗LED上的电压都有升高，驱动器输出电流将增大，如果超过LED额定电流太多的话，容易造成余下的LED光通量超过正常值而缩短寿命甚至烧毁。如果是采用恒流电源驱动，当一颗发生短路时，由于驱动电流不变，将不会影响余下所有LED的正常工作。
当有一颗LED断路后，串联在一起的LED将全部不亮。这时只要在每个LED两端并联一个齐纳管即可，如图5所示，所选齐纳管的导通电压要高于与其并联的LED的导通压降，否则该LED也不会亮。
应用此串联方式，当LED数目较少时，电源两端的输出电压不会太高。但是当LED数目较多时，特别是大功率LED路灯等，通常数目至少都有几十颗，这样为了使LED正常工作，其驱动电源的输出电压必然会非常高。比如100颗这样的大功率LED来组成照明灯具，必须要有超过300V的输出电压，而这样高的电压会对人身安全造成影响。
2.2LED采用全部并联方式
如图6所示，LED采用全部并联方式。这要求LED驱动电源输出较大的电流，负载电压较低。每颗LED的电压一样，而总电流是流经每颗LED的电流之和。当LED的一致性差别较大时，通过每颗LED的电流不一致，LED的亮度也不同。
当有一颗LED因品质不良断开时，如果采用恒压式驱动电源，电源输出电流将减少，而不影响余下所有LED的正常工作。如果是采用恒流式驱动电源，由于总输出电流不变，这样分配到每颗LED的电流都增加，容易导致损坏所有的LED。因此，这种全部并联的方式不适用于LED数量较少的场合，因为只要一颗断路，余下的每一颗都要额外增加较大的电流。当并联的LED数量较多时，断开某一颗时，分配到余下每一颗的电流并不大，对余下的LED影响不大。所以，当选择全部并联时，不应当选用恒流式驱动器。当某一颗LED因不良而短路时，那么所有的LED将不亮。
2.3LED采用混联方式
这种方式，就是众多LED既有串联，又有并联。这种混联方式有两种解法，分别如图7和图8所示，其分析方法基本和上述两种连接方式一样。
2.4LED采用交叉阵列形式
为了提高可靠性，降低熄灯几率，出现了如图9所示的交叉阵列形式的连接设计。图9是以15颗LED为例的设计图，更多的LED数量也可以参照此形式。这种交叉连接方式，即使个别LED开路或短路，也不会影响发光组件的整体实效。
3分布式恒流架构
由于目前大功率LED照明用的LED数量较多，通常都有几十个甚至上百个，选择合适的驱动匹配方式显得尤为重要。上述各种驱动方式各有优缺点，但是，对于大功率LED驱动电源来说，先恒压再恒流，是未来LED照明的主流设计方式，此方式被命名为分布式恒流，其主要架构如图10所示。
该方式先通过一个开关稳压电源，输出稳定的直流电压，然后在直流输出端接上LED模块，LED模块上已经有了恒流装置。这样将恒流技术分布到光源内部，和LED构成一个相对独立的模块，这样设计随意性强，电源规格简单，可以根据不同光通量要求而选择不同数量的LED模块。这种LED模块的划分，使得大功率LED照明特别适用于路灯、隧道灯、公共场所照明、广告灯箱等领域。分布式恒流设计LED产品有着非常高的产品稳定性。
分布式恒流技术，其稳压电源部分可以继续采用传统的开关电源进行恒压的供电模式，因开关电源技术积累给LED驱动电源设计创造了品质条件。分布式恒流技术还需要在恒流节点上串接低压差线性恒流驱动器，低压差的驱动器关系到驱动效率。LED恒流模块设置灵活，不会因为支路电流变化而影响其它支路工作。分布式恒流可以根据应用情况而灵活布置并联支路和LED模块，从而保持各支路和整体线路的电流稳定。驱动线路稳定性直接影响产品整体稳定性，分布式恒流在稳定性方面有着独有的优势。
4结论
大功率LED照明正处在快速发展阶段，由于价格成本高，目前还主要应用在路灯、隧道灯等领域，距离大规模的商用和民用还有很长的路要走。大功率LED照明大规模的产业化及应用，离不开驱动电源技术的发展，选择合适的驱动匹配方式，不仅可以保证LED正常的照明效果，还能保证LED的使用寿命，使LED照明的优势真正得到体现。先恒压，再线性恒流，是未来大功率LED照明的驱动方式。在分布式LED驱动设计中，色温可调、灰度控制都变得方便。分布式恒流技术充分预留智能化接口，这是LED照明智能化发展的关键。在节能技术要求越来越高的今天，大功率LED照明将成为照明技术发展的主流已成为共识，LED照明时代也正在来临。
参考文献
[1] 靳孝峰，张琦. 白光LED驱动器的技术探讨[C]. 安阳工学院学报，2009，（4）：6-9.
[2] 刘静. 试析LED的应用及发展前景[J]. 科技风，2010，（18）：209.
[3] 路秋生. LED照明与应用[J]. 灯与照明，2009，33（4）：24-28.
[4] 魏惠凤，秦大为. 大功率LED路灯驱动电源的设计[J]. 电工技术，2009，（5）：78-80.
篇7
关键词：LED；单片机；驱动系统；智能；恒流驱动
中图分类号：TM923.34 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）14-0138-02
近数年来，LED的使用越来越普遍，其拥有环保、节能、光电效率高、使用寿命长、亮度高、安全性、稳定等多方面的优点。由于其众多的优点，近年来各行各业的应用得以迅速地发展起来。从一定程度上也说明了LED驱动电路成为了产品应用中一大极其关键的因素。从理论上来讲，LED的使用寿命是10万个小时以上，但由于种种原因，主要的是在实际应用的过程中，因为驱动方式的选择不当以及驱动电路设计的不周全，致使LED极为容易受到损坏。
1 LED驱动现状分析
当前，市场上的很多生产商所生产出来的LED产品，大多采用的都是阻容降压的方式，同时采用一个外加的稳压电源，实现对LED灯的持续供电，这样则能有效的降低LED 的成本，但是这种供电方也存在着一定的弊端，对LED也造成了一定的影响。一方面，这种供电方式的效率驱动效率很低，耗费了大量的电能用来实现降压点受阻，甚至其产生的电能消耗可能会超过LED 自身对电能的消耗，而且电流的驱动也十分有限，当电流较大时则对于降压电容产生的需求较大，这样就会造成电能的消耗不断的增加；另一方面，在电压的稳定方面较差，对于通过LED 的电流无法确保其能够满足工作需求，在进行LED的产品设计时，需要通过降低LED 两端的电压来实现驱动，但是这种驱动必须要降低LED产品的亮度才能够实现。总的来说，使用这种方法来实现LED产品的驱动，使得LED自身的亮度无法得到有效的保证，流经的电源也不够稳定。如果供电源的电压降低时，则会造成LED的亮度降低，只有在电源电压稳定时，才能够保证LED的亮度不受影响。
2 LED驱动设计注意事项
LED照明产品是全球主流的节能产品之一，它将会成为未来照明发光产品中的主流趋势。LED照明产品在使用的过程中，比传统的照明产品节电60%-70%。其具有的众多优势让人们不得不重视LED的发展前景。LED之所以能维持如此多的优点，其还是要靠LED驱动来支撑的。
在进行LED驱动电路的设计时，前提是必须清楚的了解LED电流和电压的特性，因为在不同的LED 生产厂家中，生产出来的LED产品也具有不同的规格，因此在电流和电压方面也存在着一定的差异，以白光LED典型规格为例，按照LED的电压、电流的变化规律，一般应用正向电压是3.0-3.6 V左右，典型值电压为3.3 V，电流为20 mA，当LED两端的正向电压超过3.6 V后，正向电压只会有很小的增加，但是LED两端的正向电流可能会成倍的增加，致使LED发光体的温度升高地过快，从而加快了LED亮光的衰弱，一般程度导致LED的使用寿命的缩短，严重时甚至会使LED烧坏。所以，面对LED使用过程中的多种损耗，对LED驱动电路的设计提出严格的要求。
3 理想的LED驱动方式
通过对LED的电压和电流所产生的不同变化特征进行详细的观察和分析，可以发现，在恒压方式下对LED进行驱动存在着一定的可行性。虽然在一般情况下，我们使用的稳定电压电路有着一定的弊端和不足，比如电压不够稳定或者是稳流能力较差等问题，但是必须认识到，稳压电路具有一定的精确设计，通过稳压电路实现LED 的持续供电也是一种较为稳定的途径。根据相关的研究发现，对于LED来说，采用横流驱动是一种十分理想的方式，这种方式能够使LED 的正向电压发生改变引起电流变化的问题得到很好的解决，同时也能够保证LED供电的持续性和稳定性。也可以说，理想的LED 驱动方式，是保证电压的恒定和稳定，通过串联实现多个LED 同时供应。
4 LED模型
LED模型在建立的过程中，会引起电流的变化。当LED的电压值超过其恒定的规定值之外，LED的电流流向会发生变化，而且会随着正向电压的增大而不断的增加，当电压发生极小的变化时也容易引起电流的变化。电流对于电压的变化是十分敏感的，当正电压的某一个值小于规定值时，则会使电流发生变化，LED 的发光变得极为微弱；而当电压的某个值大于规定值时，则会使LED 的光变得更强。
5 驱动系统设计
LED的驱动系统对于光源运行系统的整体运行效率有着直接的影响，同时也影响着光源运行系统的稳定性和使用寿命，而本文则主要结合恒流驱动电路、单片机恒流控制、开关电源几种方式来针对驱动系统的设计进行探讨。而在本系统设计中，主要运用单片控制作为核心程序，通过对输出电流进行不断的调整和反馈，实现对LED 亮度的调整。同时，该系统能够适用于各种使用LED产品的驱动系统，能够使LED产品性能得到有效的改善，同时也使得LED 光源不稳定的问题得到有效的解决。
篇8
关键词：BUCK 非隔离 准谐振 谷点检测
中图分类号：F02 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（c）-0010-02
发光二极管作为光源，具有节能、环保、寿命长三大优势。近年来发展起来的高亮度白光LED（high-brightness white LED，HBWLED）更是在工业与民用照明系统、汽车灯具等领域拥有广泛的应用前景。因此，LED的推广应用对能源紧缺的世界各国具有十分重要的意义[1-2]。
LED应用的关键技术之一是提供与其特性相适用的电源或驱动电路。随着对LED照明要求的提高，LED照明对其驱动电源的要求也越来越高。对整灯光效的要求促使LED驱动电源必须具有较高的效率。另外，高功率因数也成为LED驱动电源必须具备的要求。由于安装的要求，LED照明又对其功率密度提出了较高的要求[3-6]。针对上述LED驱动要求，该文提出了基于BUCK电路非隔离LED驱动电源方案。该方案具有以下优点（1）没有光耦且工作频率较高，因此整个电路更加简单，具有更高的功率密度。（2）具有较高的功率因数。（3）反馈电路工作在准谐振的工作模式，使整个电路具有更高的效率。
1 基于Buck变换器的PFC机理
1.1 拓扑结构和电路工作状态
图1为Buck PFC电路，Lf、Cf起滤波作用。为了简化分析，假设：a）电路工作在稳定态；b）所有元器件是理想的；c）电容Cout足够大保证输出电压恒定；d）在一个开关周期内输人电压是常数。
1.2 拓扑结构和电路工作状态
设输人工频交流电压为：
（1）
其中VP为输人工频交流电压幅值。为输人工频交流电压的角频率。
当开关S导通时，流过开关S的电流iS，等于流过电感L的电流iL。
（2）
此处D为开关的导通比，TS为开关周期，t’为一个开关周期内的时间。因此，在每个开关周期开关电流的平均值为：
（3）
图1中滤波电感电容Lf，Cf实现平均。
当D较小时，（3）式可以近似表示为：
（4）
可见交流输人电流与电压几乎同步，且输入电流近似为正弦，功率因子接近1。
对于连续工作模式的BUCK变换器，当开关S导通时，电感和开关电流为：
（5）
输入电流Iin即开关S在一个开关周期的平均电流为：
（6）
可见输入电流始终有一个直流偏移量，这时功率因子将明显降低。
1.3 临界电感
由式（2）可见，在一个开关周期电感电流峰值（即开关电流峰值）为：
（7）
一个开关周期输入能量为：
（8）
一个开关周期内的平均输入功率为：
（9）
半个工频周期内的平均输入能量为：
（10）
因此从交流电网吸取的平均功率为：
（11）
平均功率为：
（12）
由于输入和输出功率必须保持平衡，考虑到变换器的效率?，可以得出：
（13）
因此临界电感为：
（14）
当Buck变换器用于功率因数校正时，其电感量应小于LB，以保证较高的功率因数。
2 准谐振谷点开通技术
开关波形如图2所示，输出电流波形可以用式15表示：
（15）
其中IPK 是电感峰值电流，TEFF是电感电流上升和下降有效时间，tS是开关周期。
准谐振模式为Buck变换器提供了更低的开通电压损耗。因此整个变化器具有更高的效率。（见图3）
3 实验数据和结果
以输入176Vac～264Vac，输出POUT= 18W，VOUT=80V，IOUT=200mA的T8等为例设计样机。
3.1 稳态工作波形
输入176Vac和264Vac的工作波形图分别如图4和图5所示。
3.2 效率测试
效率随输入电压的变化曲线如图6所示。
3.3 基本参数设计
稳态时基本参数测量结果如图7所示。
4 结语
该文提出的基于Buck电路非隔离的LED驱动电路工作在准谐振模式，且控制电路具有谷点检测功能，因此与一般的BUCK电路相比该驱动电源具有更高的效率。实验结果表明了该驱动电源具有较高的效率和功率因数。验证了该LED驱动电源的可行性与有效性。
参考文献
[1] 钱可元，胡飞.大功率白光LED封装技术的研究[J].半导体光电，2005，26（2）：110-120.
[2] 雷开卓，韦力，刘树林.DCM Buck-PFC电路的临界电感与波形畸变[J].西北工业大学学报，1999，17（4）：589-593.
[3] 严百平，刘树林，陈治明.Buck变换器实现PFC的机理及其仿真[J].电气传动自动化，1998，20（4）：68-71.
[4] 王兆安，刘进军.电力电子装置谐波抑制及无功补偿技术的进展[J].电力电子技术，1997（1）：100-104.
篇9
关键词：LED显示屏；LED显示模组；LED显示控制器；恒流驱动；低功耗
引言
LED全彩显示屏，由于面积大、播放时间长，其耗电量是客户关注的一项关键指标。降低显示屏能耗是LED显示屏技术一个重要的发展方向。
全彩LED显示的控制系统节能管理
LED显示屏是一种集计算机技术，电子技术，光学技术，电气技术和结构技术等各种现代工程技术于一体的系统集成工程应用。全彩LED显示屏系统基本组成如图1，包括：计算机及系统管理界面，LED交流电源配电柜，信号前端处理器，显示屏端信号分配器，全彩LED显示屏(全彩LED模组阵列)等。
LED显示屏系统上位机的节能管理
如图1所示，通常LED显示屏上位机包括计算机硬件及上位机软件，它在LED显示屏系统中既是显示屏系统的媒体编辑平台，为显示屏提供图像视频信号源；又是显示屏系统的控制平台，控制系统软硬件设备。从节能角度出发，上位机适当调控系统各种设备，从而实现LED显示系统节能目的：(1)根据实际反馈的电气负载要求，对配电柜的三相交流供电进行平衡控制(控制如图1的配电柜)；(2)根据实际的需要，关闭屏体的部分无用区域；(3)控制新兴的能源供电(如太阳能和风能等)，提高电能的变换效率；(4)实现时间程序管理LED显示亮度；(5)实现环境亮度程序控制LED显示等。
信号前端处理器的节能管理
如图2，信号前端处理器接收上位机来的控制命令和视频图像数据输入，然后将这两种数据信号通过FPGA进行数据重组排列，再通过光纤发送给信号分配器：同样接收光纤反馈回的数据信号，并通过FPGA完成对数据的解析并通过MCU转发给上位机处理。没有上位机参与工作的LED系统中，信号前端处理器的嵌入式平台就将承担起对整个系统同设备的智能控制功能。就节能举措而言：(1)具有LED的时间程控功能；(2)具有LED的环境亮度程控功能；(3)具有供电设备管理控制功能，提高电能转换效率等。
显示屏端信号分配器作用
如图3，显示屏端信号分配器接收光纤来的数据信号，首先将视频数据和命令数据信号按照显示屏的模组阵列实际工程排列情况分割成4组信号，然后通过LVDs接口将视频数据和命令数据分别发给LED显示屏体的四个输入端口。另一方面，屏体来的命令反馈数据信号或检测数据通过485接口进入处理器PPGA中，然后通过光纤调制器的向信号前端处理器发送。它是信号传输枢纽。各种数据的分组排列及下传和上传的大量处理工作在此处理。
模组节能设计
全彩LED模组如图4，包括：模组信号控制模块，全彩LED点阵模块，模组供电模块等。
模组信号控制模块节能设计
模组信号控制模块如图5，分配器下传的数据信号通过LVDS接口芯片转换得到数据流分成两路，其中一路以LVDS信号环接输出到下一模组的输人口，另一路以TTL电平的方式输入到PPGA；FPGA再根据模组ID号，解析出命令数据和视频数据；视频数据按地址截取相应的区域视频数据、缓存、并以一定的算法格式输出去驱动LED点阵模块；命令数据，则执行相应命令，如GAMMA校正、亮度调整、模块电源的开关等。同时。根据相关的命令要求，模块应答回传信号及相关传感器的检测数据通过上传通道向上传输。
模块信号控制模块、显示屏端分配器、前端信号处理器和上位机(包括控制界面软件)组成闭环的控制过程；实现环境亮度程控、时间亮度程控，电源模块调整，LED显示屏显示负载实时调节等功能，为显示屏的节能应用提供了信号处理的必要软硬件条件。
模组LED点阵模块节能设计
LBD点阵模块设计节能举措主要围绕着LED灯管选择和恒流驱动芯片驱动设计来进行。
(1)LED点阵模块的像素设计和高光效的LED灯管选择：全彩LED点阵模块的像素一般由红绿蓝三个子像素组成，像素点功耗是：(V红×I红)+(V绿2×I绿)+(V蓝×I蓝)。LED器件正向电流与发光亮度近似于线性正比例关系。选用高亮度的LED器件组，像素点功耗相对较小，显示屏功耗也相对较小。以P20全彩显示屏为例，红、绿、蓝LED标称亮度各提高20％，在显示屏亮度不变的情况下，显示屏的功耗会降低1s％以上。因此，选发光效率高、发光强度值大的LED器件可以有效节能。
(2)高效的LED驱动电路设计：传统全彩LED显示屏采用5V的电源给LED点阵模块供电(如图6所示)，分压在恒流Ic上的电压，除去恒流芯片达到线性导通所必需的正向电压值外，其余剩下的电压均会造成无用的功耗，转换成热能。节能的LED显示屏像素驱动电路如图7所示，这种设计采用红绿蓝LED器件分别供电的方式：V红、V绿、V蓝。比较试验证明，在选用相同LED器件和相同恒流驱动芯片，并要求显示同样亮度的条件下，节能电路与传统电路比较节能30％以上。
模组电源电源拓扑节能设计
全彩LED显示屏的模组供电方式普遍采用低压大电流开关电源模块输出并联的总线供电方式。由于开关电源输出的电流大，变压器铜损大，整个的电源转换效率低(满负载只能做到75％以内)。本文推荐模组内电源采用若干小型开关电源分布式供电方式，以提高开关电源的能量转换效率。譬如：交流220v总线输入、最大输入功率是35W、输出可调电压的开关电源模块效率可以达到86％以上。该开关电源的能量变换效率相对大电流并联供电的常规供电拓扑结构而言节能在10％以上。
结语
篇10
【关键词】LED筒灯；驱动电源电路；反激式；BP3105
1.引言
在全球能源日益短缺、环保要求不断提高的情况下，LED灯具正逐渐成为当下及未来照明市场的发展方向。LED照明具有光效高、易控制、寿命长、节能环保等显著优势，是人类继白炽灯、荧光灯之后新的照明革命。目前LED灯具已广泛应用于室内、室外、景观照明，在室内照明LED灯具中使用较普遍的是筒灯、射灯、平板灯、球泡灯。随着LED技术的迅猛发展，LED在照明市场被业界认为在未来10年成为最被看好的市场以及最大的市场，LED灯具也将是取代白炽灯、荧光灯的最大潜力商品。
2.LED筒灯市场分析
筒灯是在工程建设中用量最大的室内工程灯具，它广泛用于在商场、宾馆、写字楼和家庭装修中，它是一种点光源灯具，通常是嵌入在天花上作为空间照明使用。筒灯的光源主要是节能灯、LED两大类。相比较而言，LED除了价格较贵外，其他主要性能都明显高于节能灯，例如光效方面：螺旋节能灯为60lm/W、2010白光LED为120lm/W；寿命方面：螺旋节能灯
筒灯根据安装方式主要分为嵌入式和明装式，其中嵌入式占据近95%的市场；根据灯杯尺寸主要可分为2.5、3、4英寸（民用）和3、4、5、6、8、10英寸（工程），其中4英寸使用最多；根据结构可分为自带控制装置式（即一体式）和控制装置分离式，其中一体式LED筒灯市场很少见。
3.LED筒灯设计方案
结合市场分析和成本控制，本设计任务确定为一款4英寸一体式LED筒灯。主要光电性能符合国家《LED筒灯节能认证技术规范》CQC3128-2010。
3.1 LED筒灯技术参数
功率：一般市场常见4英寸筒灯匹配紧凑型节能灯功率为9-15W左右，根据工程常规通用换算公式LED1W=节能灯1.5-2W，确定本设计输出功率为10W。
功率因数≥0.8，电源效率≥80%，初始发光效率≥80lm/W。
3.2 LED筒灯总体结构设计
LED筒灯由以下几部分组件构成，总体结构图如图1所示。
（1）外壳：由反光杯和散热器构成。散热器选用散热良好的车铝型材构成，选用常见的太阳花形式。散热器底部通过导热硅脂在外侧与反光杯底部紧密连接，反光杯底部内侧与LED光源的铝基板通过导热硅脂紧密相连。
（2）灯罩：选用亚克力导光板，其具有超薄、亮度高、导光均匀、节能环保、无暗区灯特点，配合多颗均匀散布的小功率LED灯珠，使灯具发光更加均匀，没有光斑。
（3）LED光源：由铝基板（MCPCB，35μm铜层及1.5mm铝合金）和30个标称0.32W的LED灯珠组成，避免了使用少量大功率灯珠带来的发光不均匀的弊病。选用30颗首尔STW8Q14BLED灯珠组成10串3并的结构。STW8Q14BLED典型光电参数：色温2600-7000K，光通量30.5lm（2600-3700k），32lm（3700-7000k），正向电压降VLED=3.2V，正向电流ILED=110mA，结温RJC=18℃。LED的散热垫与PCB的敷铜层采用回流焊焊在一起。
（4）驱动电源：因为单个LED工作电压为低电压，且工作电压范围很窄，通常不能直接供电，否则极易损坏。本设计选用恒流驱动，可以避免LED灯珠正向电压变化所导致的工作电流变化，从而提高LED发光的光视效能和稳定度，延缓光衰。所以采用恒流驱动芯片，电源沿用常用的单开关反激式电路。驱动电路板设计成环形，外装塑料外壳，与灯具外壳固定相连，散热器从其中间穿过，构成一体式结构。
4.电路设计
4.1 BP3105芯片简介
BP3105是一款高精度的LED恒流控制芯片，适用于输入全电压范围的反激式隔离LED恒流电源。采用原边反馈模式，无需次级反馈电路，也无需补偿电路即可实现恒流，系统成本低。芯片内带有高精度的电流取样电路，使得LED输出电流精度达到±3%以内。BP3105采用小体积SOT23-5封装，管脚封装图见图2。其中GATE为外接NMOS管驱动端；CS为电流采样端，采样电阻RCS接在CS与GND之间；FB为辅助绕组的反馈端。BP3105具有多重保护功能，包括LED开路保护、LED短路保护、芯片过温保护、过压保护、欠压保护、FB短路保护等。当Vcc电压高于16V时，芯片关断外部功率管，芯片自动重启直到外部过压状态解除；Vcc内部自带19V钳位电路，以防止异常条件下芯片损坏。芯片内部热保护电路检测结温度。过热保护阈值设置在160℃，迟滞为30℃。当结温度超过阈值（160℃）时，将关断功率MOSFET，直到结温度下降30℃后，MOSFET才会重新使能。当输出出现LED短路或LED开路时，系统将自动进入低功耗模式，同时不断检测负载状态，直到故障解除。当故障解除后，系统自动恢复正常工作。
4.2 驱动电路设计
LED筒灯驱动电路见图3和图4。其中图3为输入EMI滤波电路和桥式整流电路，图4为基于BP3105芯片的恒流驱动电路。
图3中F1为保险丝，起过流保护作用；RV为压敏电阻，起过压保护作用；D1-D4为桥式整流电路。Ld1、Ld2、C1、C2组成EMI低通滤波器，Ld1=Ld2，C1=C2，用于共模方式的EMI抑制。共模电感Ld1、Ld2对称地绕在同一磁芯上，在正常工作电流范围之内，由于磁性材料产生的磁性互相补偿，从而能避免磁饱和，对共模干扰信号呈现高阻抗，而对差模信号和电源电流呈现低阻抗，这样就保证了对电源电流的衰减很小，而同时又抑制了电流噪声。EMI滤波器既抑制了来自电网的电磁干扰，同时对驱动电源自身产生的电磁干扰也起衰减作用，以保证电网不受污染。
图4中C1、C2、R2、D5-D7构成逐流滤波无源功率因数校正电路，C3作为直流端滤波电容。加入逐流电路后在每半周期内，将交流输入电压高于直流输出电压的时间拉长，图3中整流二极管D1-D4的导通角就可以增大达到120度以上，交流电源输入电流为零的死区时间则缩短，电流波形也更趋接近正弦波，减小了电流畸变因子，从而提高电路输入功率因数，由0.6变到0.9，同时降低输出直流电压，至少比桥式整流电容滤波电路的直流输出电压低15%。经过逐流电路后，由T1、Q1、D7、C6构成的反激式开关电源电路完成隔离输出和变压功能，控制芯片IC1实现反激式开关电源电路的开关控制功能。反激式开关电源电路具有电路结构简单、安全隔离、成本低的优点，特别适合小功率LED驱动电源的要求。D6、R6、C5构成反激式开关电源电路的吸收电路，在开关Q1关断后，吸收开关上的尖峰电压。
BP3105芯片仅需要25uA的启动电流，系统上电后启动电阻R5对电容C4进行充电，当电压达到芯片开启阈值14V时，芯片内部控制电路开始工作。系统启动后，其由辅助绕组对Vcc端进行供电。芯片逐周期检测变压器主级侧的峰值电流，CS端连接到内部的峰值电流比较器的输入端，与内部500mV阈值电压进行比较。当CS外部电压达到500mV时，功率管Q1关断，系统工作在电感电流断续模式。BP3105芯片通过FB来反馈输出电流的状态，FB的阈值电压设置在1V。R9、R10为反馈网络的检测电阻可以设置到300KΩ～750KΩ，同时利用分压可以进行线电压补偿。变压器T1主级侧峰值电流：Ip=500（mV）/RCS，实际为了便于调整阻值，RCS用两个电阻R3和R8并联。
4.3 变压器设计
根据BP3105芯片使用要求，系统工作在电感电流断续模式，最大占空比为Dmax=0.42，中心工作频率f=44KHz（在40KHz～48KHz之间便于通过EMI测试）。输入直流平均电压为200-280V，输出直流平均电压Uo=VLED*10=32V，输出直流平均电流Io=ILED*3=330mA。
（1）确定变比
假设工作在断续临界点，最大占空比情况下，根据伏秒积分为零的公式（1）可算出变比，取7。其中Np 是变压器初级的匝数，Ns 是变压器次级的匝数，TR为次级电流流通时间。
（1）
（2）确定初级电感量
根据次级电流公式（2）和磁势平衡公式（3），可以算出变压器原边峰值电流Ip=180mA。公式（4）为临界连续时原边电感量计算公式，其中电源效率取0.7，在断续工作状态下，电感取值应小于该计算值。根据实际实验结果，变压器初级电感量定为1.7mH。
（2）
（3）
（4）
（3）确定绕组匝数
根据输出功率10W选择变压器E19磁芯，4+3引脚骨架，变压器骨架尺寸见图5。铁芯材料选常用的PC40锰锌铁氧体，Bs=3000G，Br=95G，Ae=0.23cm2。根据公式（5）确定初级绕组匝数，其中ΔB=Bs-Br，余量系数F取0.6。最终选择N1初级绕组（4、5引脚）167匝，线径0.25；N3次级绕组（6、7引脚）24匝，线径0.15；N2反馈绕组（1、3引脚）66匝，线径0.35。绕组之间覆盖2层聚酯膜。
（5）
5.散热器设计
在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。热阻越小，其导热性能越好。太阳花形散热器是LED筒灯广泛采用的一种散热形式。设Y为最优翅片长度，X为芯片功率，根据线性拟合公式Y=4.0333（X-12）+34.422nn，可以计算出最佳翅片长度为26.355mm。翅片厚度的增加，并不能有效增大翅片散热面积，相反却会造成散热器重量的增加，提高成本。但考虑到散热器翅片采用挤压工艺成型，对厚度有一定下限要求，在保证大于1mm前提下，尽量减薄以降低散热器的制造成本。根据计算经验，翅片间隔需要大于4mm，才能保证自然对流的顺利进行。本设计采用一体化结构，散热器放从环形驱动电源中间穿过，外形图见图6，总直径只能限制在70mm内，本设计中所用太阳花散热器翅片长20mm，厚1mm，数量36*2=72，翅片间隔3mm。
6.测试结果分析
使用远方电参数测试仪、积分球对整灯进行测试。
光电实际测试结果：功率因数=0.9，实际输出功率=10.2W，电源效率=80%，初始发光效率=82lm/W，全部符合设计要求。
温度测试结果：环境温度TA=25℃，LED散热垫的温度TC=70℃。LED工作状态：VLED=3.2V，正向电流ILED=110mA，极限工作结温TJmax=125℃。TJ=RJC（VLED×ILED）+TC=18℃/W（3.2V×110mA）+70℃=76.3℃
7.结论
文章结合LED照明发展现状，设计了一种基于BP3105恒流驱动芯片的小功率LED筒灯。本设计把控制电源设计成环形，与灯具外壳连接在一起形成整体，这种一体式的结构非常方便用户安装；利用多颗小功率LED灯珠构成灯盘，配合导光板，很好地实现了光源的均光性；利用逐流电路提高功率因数到0.9；利用恒流芯片构成的反激式开关电源结构简单，性能稳定，成本较低。经测试光效达82lm/W，灯具内部LED散热垫温度70℃，可以大大延展寿命。目前经过小批量试产的产品应用情况良好，验证了设计方案的可行性和正确性。
参考文献
[1]曹白杨.电子产品设计原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2010.
[2]杨恒.LED照明驱动器设计步骤详解[M].北京：中国电力出版社，2010.
[3]刘胜利.高亮度的LED照明与开关电源供电[M].北京：中国电力出版社，2010.
[4]郭庆明，何云峰，王昌明，张爱军.单端反激式开关电源变压器[J].电子设计工程，2010（5）：165-168.
[5]周翠娟.节能灯具设计中的关键技术研究[D].上海：上海交通大学，2008.
[6]阎军，孙兴盛，王乜，王舒，毛火华，刘书田.半导体照明灯具典型散热结构分析与优化[J].固体力学学报，2010（12）：291-293.
[7]James Brodrick，李雪.LED筒灯的近期性能评估[J].中国照明电器，2008（12）：35，28.
[8]CQC3128-201.LED筒灯节能认证技术规范[S].北京：中国质量认证中心，2010.