晏劍輝

(瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川瀘州646005)

LED路燈照明是一種省電、節(jié)能、低碳環(huán)保的照明光源，市場前景廣闊［1］。我國在2009年開展了“十城萬盞”計劃［2］，在21個城市進行了試點工作，LED路燈以其突出的示范效應(yīng)成為各類半導(dǎo)體照明技術(shù)中的一大亮點。LED的理論壽命是5×104h，但是在試點過程中發(fā)現(xiàn)LED路燈照明也存在許許多多的問題，如故障多、使用壽命短，沒有過多久就報廢了。造成LED省電節(jié)能，而不省錢的現(xiàn)象，甚至遭到公眾的質(zhì)疑。綜合分析其故障根源，95%的問題都是電源驅(qū)動器的元器件損壞導(dǎo)致LED路燈壽命提前終結(jié)，而并非LED光源自身壽命所引起的［3］。本文旨在研究一種基于單片機智能控制的無電解電容器的電源驅(qū)動器開關(guān)電源。通過使用扼流圈、磁放大器原件等長壽命的器件取代電解電容器，進行電源中紋波濾波，提高電源驅(qū)動器的壽命，進而提高LED路燈的使用時間。

1 LED的工作原理分析

1.1 LED發(fā)光原理

照明發(fā)光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs(砷化鎵)、GaP(磷化鎵)、GaAsP(磷砷化鎵)等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。其發(fā)光過程是在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子(少子)一部分與多數(shù)載流子(多子)復(fù)合而發(fā)光。發(fā)光二極管中包含2種或3種顏色的芯片假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心(這個中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近)捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光［5］。

1.2 LED發(fā)光與半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg關(guān)系分析

按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色(又細分黃綠、標準綠和純綠)、藍光等。發(fā)光的復(fù)合量相對于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)μm以內(nèi)產(chǎn)生。理論和實踐證明，光的峰值波長λ與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg有關(guān)，即λ≈1 240/Eg(mm)。其中，Eg的單位為電子伏特(eV)。若能產(chǎn)生可見光(波長在380 nm紫光～780 nm紅光)，半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.26 eV～1.63 eV之間。比紅光波長長的光為紅外光。由此可見LED發(fā)光與PN內(nèi)置節(jié)控制的電源電壓有密切的關(guān)系。

2 LED的工作電源分析與LED發(fā)光

在工頻電源供電的LED燈的外接電源通常為220 V或380 V，為了有效的禁帶寬度Eg，需要對LED電源驅(qū)動電路輸出的電流和電壓進行很好的控制，以達到LED正常工作的所需的電壓。傳統(tǒng)的LED電源供電電路的整流、降壓、穩(wěn)壓主要是由開關(guān)電源和電容等原件組成，存在有一下問題。

從技術(shù)層面來看，LED本身的壽命往往長達幾萬小時，但有時8 000 h就不錯了。造成這種現(xiàn)象的原因是什么?

圖1 開關(guān)電源示意圖

綜合分析其故障根源，95%的問題都是電源驅(qū)動器的元器件損壞導(dǎo)致LED路燈壽命提前終結(jié)，而并非LED光源自身壽命所引起的。LED光源自身的壽命并不是LED路燈的使用壽命。LED路燈的使用壽命是由LED光源壽命和驅(qū)動電路的壽命共同決定的。由于電解電容的有效工作壽命，在很大程度上受環(huán)境溫度及作用在內(nèi)部阻抗上的紋波電流導(dǎo)致的內(nèi)部溫升影響，而電解電容制造商提供的電解電容額定壽命是根據(jù)暴露在最高額定溫度環(huán)境及施加最大額定紋波電流條件下得出的。在105℃時典型電容額定壽命可能是5 000 h［6］，電容所實際遭受的工作應(yīng)力相比額定電平越低，有效工作壽命也就越長。因此，電解電容的不匹配，直接影響到了LED燈的使用壽命。在工頻電網(wǎng)的LED路燈電源驅(qū)動電路中都是采用降壓式開關(guān)電源，如圖1所示。

圖2為調(diào)整元件S開關(guān)通斷時的波形。

圖2 調(diào)整元件S開關(guān)通斷時的波形

當開關(guān)接通的持續(xù)時間為ton，斷開持續(xù)時間為toff，開關(guān)轉(zhuǎn)換周期為T=ton+toff，則輸出電壓的等效值為

式中:δ為脈沖占空比系數(shù)，它等于ton/T。由此可見，調(diào)整輸出電壓等效值的大小唯一的方法就是改變占空系數(shù)。實現(xiàn)占空系數(shù)調(diào)節(jié)的方法以PWM(脈寬調(diào)制器)為主。我們從公式中得知PWM脈寬調(diào)制始終周而復(fù)始地接通ton和斷開toff，持續(xù)地產(chǎn)生如圖2的方波波形，很明顯輸出的電壓值存在峰值電壓Vp-p和谷值電壓0值。顯然這個方波值必須經(jīng)過電解電容平滑濾波才能得到穩(wěn)定可靠的Uav值，具有濾波電容的開關(guān)電源示意圖與波形如圖3和圖4所示。

圖3 濾波電容的開關(guān)電源示意圖

圖4 開關(guān)電源波形

這就是為什么目前成千上萬種LED路燈驅(qū)動電源必須使用電解電容的瓶頸所在即:當電解電容一旦失效，Uo實際輸出的電壓峰值Vp_p等于Ui，瞬間可以燒毀LED光源芯片。

在電子器件中，電解電容器壽命的計算公式如下:(以下數(shù)據(jù)是日本日立公司生產(chǎn)的電容器壽命數(shù)據(jù))。從上述公式和列表中可知電解電容的正常壽命只有2000 h～10 000 h。

表1 Max.Core temperature rise setting(snap-in type)

3 新型LED路燈電源驅(qū)動器的設(shè)計

基于對電容器問題，同時由于市網(wǎng)電源電的電壓、頻率波動也會影響電源驅(qū)動器的電壓輸出的穩(wěn)定性，因此本文從整流、降壓、穩(wěn)壓幾個方面關(guān)鍵流程，對電源驅(qū)動電路進行優(yōu)化設(shè)計，提出了以一下3項關(guān)鍵技術(shù)措施:

(1)使用MCU單片機數(shù)字控制［7-8］，實現(xiàn)APC(自動相位控制)技術(shù)輸出多相等幅多相位方波群疊加的直流DC電壓［9］。

(2)使用磁放大穩(wěn)壓器進行電源的穩(wěn)壓和恒流，減少市網(wǎng)電源電壓突變時涌流對輸出電壓的影響。

(3)在電源驅(qū)動器上使用永久性的電子器扼流圈對高頻調(diào)制波進行濾波，代替電解質(zhì)電容器，完全使電源驅(qū)動器無電解電容化。

3.1 關(guān)鍵技術(shù)的實施

(1)基于單片機智能控制的多相位方波群整流電路分析

傳統(tǒng)的電源驅(qū)動采用的整流電路的4只整流二極管，被接成橋路后封裝成一個整流器件，稱“硅橋”或“橋堆”。根據(jù)二極管的單向?qū)ǖ墓ぷ髟?，整流變相在正弦交流電壓的零點換向。傳統(tǒng)整流電路與波形如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)整流電路與波形圖

從圖5可以看出，整流處的4個電壓波在時間上依次相差180°疊加，并且整流波過零點時，其電壓為0 V，輸出的最高電壓為有效值U的1.414倍，即輸出的電壓不穩(wěn)定。

通過單片機智能控制的可控硅觸發(fā)時間［3］可以得到比較均衡電流波，如圖6所示。

圖6 智能控制的可控硅電路與波形圖

從圖6可以看出，整流觸發(fā)設(shè)為60°時，整流的6個電壓半波在時間上依次相差60°疊加，得出的波形比較平穩(wěn)，而輸出的最小值不再為零點，而是

其中Vmin是最小電壓，VP是電壓的有效值。

在進一步調(diào)整觸發(fā)角度時，可以得到更加平穩(wěn)而的直流電壓。取代常規(guī)的PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，PWM調(diào)制必然是產(chǎn)生峰值和谷值的DC/DC轉(zhuǎn)換技術(shù)，這種技術(shù)是需要大容量的電解電容進行濾波，才能輸出平滑的直流電壓的。并且在整流觸發(fā)角度可以通過反饋電路進行調(diào)整，是的電路的輸出電壓更加平穩(wěn)，進而達到半導(dǎo)體材料所需的禁帶寬度Eg。

(2)基于電感線圈取代電解電容的電路

傳統(tǒng)的電路穩(wěn)壓和濾波都是用的是電解容，如圖7所示。

圖7 傳統(tǒng)電解電容的電路與波形圖

由于電解電容的有效工作壽命在很大程度上受環(huán)境溫度及由作用在內(nèi)部阻抗上的紋波電流導(dǎo)致的內(nèi)部溫升影響。電解電容制造商提供的電解電容額定壽命是根據(jù)暴露在最高額定溫度環(huán)境及施加最大額定紋波電流條件下得出的。在105℃時典型電容額定壽命可能是5 000 h，電容所實際遭受的工作應(yīng)力相比額定電平越低，有效工作壽命也就越長。因此，電解電容的不匹配，直接影響到了LED燈的使用壽命。

利用電感線圈可以實現(xiàn)使用磁放大穩(wěn)壓器進行電源的穩(wěn)壓和恒流，減少市網(wǎng)電源電壓突變時涌流對輸出電壓的影響。在電源驅(qū)動器上使用永久性的電子器扼流圈對高頻調(diào)制波進行濾波，代替電解質(zhì)電容器，完全使電源驅(qū)動器無電解電容化，使用磁放大穩(wěn)壓器進行電源的穩(wěn)壓和恒流如圖8所示。

圖8 電感穩(wěn)壓電路與波形

3.2 新型系統(tǒng)組成與工作原理［10］

新型LED路燈電源驅(qū)動器由7部分組成:①防雷措施與浪涌電壓電流電路;②多相整流電路;③DCDC開關(guān)電源電路、扼流圈;④磁放大器電路;⑤穩(wěn)壓恒流輸出電路;⑥穩(wěn)壓恒流與移項鎖項控制電路;⑦電流、電壓取樣與單片機控制電路。如圖9所示。

圖9 新型LED路燈電源驅(qū)動器原理方框圖

工作原理:當50 Hz工頻電源連接到電源驅(qū)動器時，通過整流、降壓、穩(wěn)壓、測量與反饋，然后由單片機進行智能分析調(diào)整輸出的電壓為恒定的電源供LED路燈使用［10-11］。各部份的作用如下:

首先防雷措施與浪涌電壓電流電路經(jīng)過防雷措施、浪涌電壓電流的處理，使送到后級的電源沒有干擾，沒有雜波［12］;多相整流電路通過多相交流電全橋整流將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，但是這個時候的電壓值特別高，即高壓直流電并不適合LED光源晶片的驅(qū)動。因此，我們必須將高電壓的電壓能量轉(zhuǎn)換低電壓才能使用，在這里DC-DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器就起到這個作用。由于LED光源需要優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的直流電源，我們在這里使用了多相相移鎖相控制電路對DC-DC轉(zhuǎn)換進行控制。各相DC-DC轉(zhuǎn)換輸出的方波群的高電平正好疊加在超前相位的低電平位置，最終形成沒有紋波的直流電壓。雖然這時候已經(jīng)輸出的直流電壓已經(jīng)可以驅(qū)動LED光源晶片進行照明了，但是這個時候輸出的直流電壓幅值會隨工頻50 Hz的市電有效值波動而波動，即不穩(wěn)定的電壓會對LED壽命帶來影響，那么我們在這里增加了磁放大器對輸出的電壓值和電流值進行跟蹤控制，直流電壓經(jīng)過磁放大器電路的控制，最終輸出的電壓值以及電流值精確地穩(wěn)定在LED光源需要的幅值上。電流、電壓取樣與單片機控制電路對于DC-DC轉(zhuǎn)換的相位以及磁放大器的精確控制需要一個大腦中樞統(tǒng)一指揮和協(xié)調(diào)，這就是單片機程序的功能。單片機按照程序員預(yù)先植入的程序高速地執(zhí)行，不斷地對本電源驅(qū)動器輸出的電壓、電流進行采樣，通過周密的計算后通過穩(wěn)壓恒流與移項鎖項控制電路的執(zhí)行單元對DC-DC轉(zhuǎn)換以及磁放大器進行控制。整個電路就這樣周而復(fù)始的工作，得到可靠的直流電壓電流輸出。如圖10所示。

圖10 單片機相移控制輸出圖

4 結(jié)語

新型LED路燈電源驅(qū)動器通過使用扼流圈、磁放大器原件等長壽命的器件對電源中紋波濾波，取代在驅(qū)動電路中的電解電容器，同時使用MCU單片機數(shù)字控制技術(shù)，實現(xiàn)APC(自動相位控制)技術(shù)輸出多相等幅多相位方波群疊加的更加平滑的直流DC電壓，解決了在整個電燈電路中的直流DC絕對存在較大電壓峰谷值的問題，實現(xiàn)了LED路燈所需的穩(wěn)定電壓，有效提高了LED路燈的使用壽命。目前該產(chǎn)品已經(jīng)通過了權(quán)威部門的性能檢測，同時在瀘州的部分企業(yè)進行試用，目前反饋回來的用戶報告反應(yīng)壽命明顯提高

［1］林永宏.淺議LED在城市景觀上的應(yīng)用［J］.福建建材，2011(10):26-28

［2］陳元桂，郭燕萍.大功率LED路燈應(yīng)用現(xiàn)狀的分析［J］.燈與照明，2011(3)33-34

［3］王希天.LED燈產(chǎn)業(yè)的瓶頸及對策［J］.電子元器件應(yīng)用，2011(10):9-11

［4］崔元日，束惠.淺談白光LED照明［J］.光源與照明，2008(1):34-35.

［5］韓建偉，劉行仁.節(jié)能LED路燈［J］.中國照明電器，2009(1):18-21

［6］馮小龍，錢建生，王鴻建，等.基于CPLD的礦用LED顯示系統(tǒng)的設(shè)計［J］.工礦自動化，2009(5):101-102

［7］甘本鑫，徐少明，蘇紅艷.基于單片機的LED路燈模擬控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011(2):205-207

［8］楊永棟，劉橋，周驊.新型交流LED照明方法［J］.照明工程學(xué)報，2011(10):84-88

［9］王光峰.白光LED驅(qū)動電路的研究及其電路的設(shè)計［D］.杭州:浙江大學(xué)，2005:1-2

［10］熊慰.大功率LED路燈散熱分析與設(shè)計［D］.華中科技大學(xué)，2009:1-2

［11］江程，劉木清.LED路燈燈具的模塊化設(shè)計研究［J］.中國照明電器，2011(5):1-2

［12］高京泉，郭起宏，賀孝田.LED路燈散熱問題研究及設(shè)計［J］.照明工程學(xué)報，2011(10):20-24