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一种高可靠性LED照明驱动电路
    摘 要:根据LED 照明灯具的特点,设计了一款恒流式驱动电路。此电路采用电容降压方式,为整个电路提供恒定的电流。利用TVS(瞬态电压抑制器) 对LED 进行过压保护,同时利用NTC(负温度系数热敏电阻) 有效地降低了浪涌电流对LED 的冲击,并利用PTC(正温度系数热敏电阻) 将流过LED 的电流限制在一定的范围内,从而延长了LED 照明灯具的实际使用寿命,避免了频繁的维护与更换,并降低了成本。

  引言

  随着固态照明工业领域的兴起与不断改进,发光二极管LED) 因其具有高效、节能、寿命长、环保等特点,已成为现今照明技术的可选方案,并逐渐被应用于照明。促使人们关注LED 照明技术的一个关键因素是,其大大降低了能源的消耗,并可实现长期可靠的工作。有理由相信,这种新型的固态照明,必将带来人类照明领域的第三次革命。

  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 寿命的主要原因是其频繁启动瞬间的电流冲击,外界的各种浪涌脉冲,以及正常工作时的电流限制等,本电路综合了这些因素,从电路设计上尽量避免大电流对LED 照明灯具的冲击,并将其工作电流稳定在某一范围内,解决了目前LED 照明灯具的亮度衰减问题从而有效地延长其使用寿命。

  驱动电源

  LED 均采用直流驱动,因此在市电与LED 之间需要加一个电源适配器即LED 驱动电源。它的功能是把交流市电转换成适合LED 的直流电。

  LED 驱动电源按其驱动方式可以分为恒流式和稳压式。恒流式驱动电路输出的电流是恒定的,输出的直流电压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。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 是电流随电压变化显着的器件, 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。实验表明当流经LED 的实际电流为其允许的最大电流的70 %时,LED 的发光效能为最佳。同时,由于发光二极管PN 结的电压温度系数为- 2 mVP℃左右,当LED 散热不良导致温度升高时,其工作电流也会较初始阶段有明显变化,这也是市面上各种LED 产品快速老化的主要原因。显然,保证LED 的驱动电流稳定对于LED 的防老化显得尤为重要。因此,恒流式驱动电源是比较理想的LED 驱动方式。

  通常驱动LED 均采用专用恒流源或者驱动芯片,当受体积和成本等因素的限制时,最经济实用的方法就是采用电容降压式电源。用它驱动小功率LED 具有不怕负载短路、电路简单等优点,而且一个电路能驱动1~70 个小功率LED.但是,这种电源电路启动时的电流冲击,尤其是频繁启动,会给LED造成破坏。当然,采取适当的保护便可避免这种冲击。

  电容降压式电源的典型电路如图1 所示,C1 为降压电容器(采用金属化聚丙烯电容) ,R1 C1 提供放电回路。电容C1 为整个电路提供恒定的工作电流。电容C2 为电解电容,其耐压值取决于所串联的LED 的个数(约为其总电压的1. 5 倍以上) ,它的主要作用是抑制通电瞬间引起的电压突变,从而降低电压冲击对LED 寿命的影响。R4 为电容C2 的泄流电阻,其阻值应随着LED 个数的增加适当增加。

1 电容降压式电源的典型电路

  需要注意的是,必须根据负载的电流大小选取适当的电容,而不是依据负载的电压和功率,通常降压电容C1 的容量C 与负载电流Io 的关系可近似认为:C = 14. 5 I ,其中C 的容量单位是μF , Io 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在630 V 以上。‖

    2  保护电路

  由于电容降压电源是一种非隔离式电源,在通电瞬间会产生很大的电流,也就是所谓的浪涌电流。

  此外,由于外界环境的影响如雷击的感应,从电网系统会侵入各种浪涌信号,有些浪涌会导致LED 的损坏。而LED 抗浪涌电流和抗反向电压能力都比较差,加强这方面的保护也非常重要,尤其是有些LED装在户外,如LED 路灯。因此LED 驱动电源要有抑制浪涌的侵入,保护LED 不被损坏的能力。本电路采用NTC(负温度系数热敏电阻) 来限制电流的突变,利用PTC(正温度系数热敏电阻) 自动调节电流大小使之趋于某个特定的变化范围,同时在电源输入端并有TVS(瞬态电压抑制器) 以避免电压过载。

  2. 1  NTC 保护

  NTC Negative Temperature Coefficient 的缩写,意思是负的温度系数,泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件,所谓NTC 热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。限制浪涌电流的最简单有效的方法是在线路输入端串联一只NTC 热敏电阻,如图1中的R2.由于在冷启动时,NTC 热敏电阻呈现高阻抗,因而使浪涌电流得到限制。而当电流的热效应使NTC 热敏元件的温度升高,NTC 阻值急剧下降时,对系统的电流限制作用会较小。由于NTC 热敏电阻在热态下的阻抗并不是零,故会产生功率损耗,当然,这种损耗是很小的。

  2. 2  PTC 保护

  PTCPositive Temperature CoefflCient) 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,本电路还采用了PTC 热敏电阻,如图1 中的R3.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。

  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;当电路发生短路或窜入异常大电流时,PTC 元件的自热使其阻抗增加把电流限制到足够小,起到过电流保护作用。当产生过电流的故障得到排除, PTC 元件自动复原到低阻状态。

  既避免了维护更换,也避免了可能引起电路损坏的持续循环的开闭状态。

  2. 3  TVS 保护

  瞬态电压抑制器( Transient Voltage Suppressor ,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间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。

  对于过压保护这一方面,本电路就是在电源输入端并联了TVS ,如图1 中的D2 ,这样可以将电压维持在TVS 最大承受范围之内,当出现电压高于TVS击穿点的过压的现象时,可以让电流流经TVS ,藉此保护LED 照明灯具。

  结论

  实验表明,将指针万用表串入电路后,在电路通电瞬间,指针突然偏转大角度的现象得到明显的改善,有效地防止了浪涌电流对LED 的冲击。同时,启动一段时间后,电流有所下降,并逐渐趋于稳定。用1W的金属膜电阻或绕线电阻代替NTC 也可达到要求,过压保护选用TVS 或者压敏电阻均可。在线路板设计方面,需要注意的是,高压输入部分(即电源输入端到整流桥部分) 应尽量远离后面的负载电路,而且在允许的情况下,高压输入部分导线间的距离应保证在1 mm 以上。基于这些方面的考虑,设计了如图2 所示LED 照明灯具,此照明模块已经连续工作了4 年左右,亮度未见有所衰减,而且未经任何维护。此电路易于推广、普及,可广泛应用于公共照明、走廊、仓库等,极具商业化前景。


2  LED 照明灯具

 

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