羅曉琴

(西南科技大學,四川 綿陽 621010)

基于自動跟蹤LED驅(qū)動電壓控制電路的創(chuàng)新設(shè)計

羅曉琴

(西南科技大學,四川 綿陽 621010)

LED發(fā)光二極管在發(fā)光時約有80%以上的功率轉(zhuǎn)化成了熱能，導致LED發(fā)光二極管的PN結(jié)溫度過高,這是影響LED發(fā)光二極管的發(fā)光效率與照明功能的主要因素。本文針對上述問題,結(jié)合現(xiàn)實情況,設(shè)計了一種自動跟蹤LED驅(qū)動電壓的控制電路，從串聯(lián)穩(wěn)流單元采樣一個電壓信號，與本控制電路中的基準電壓相比較，產(chǎn)生一個控制信號，去控制所述串聯(lián)穩(wěn)流單元前級的開關(guān)穩(wěn)壓電源，使它的輸出電壓隨LED燈的工作電壓的變化而變化，不增加調(diào)整管的功耗。避免了常見的恒壓驅(qū)動亮度變化大的缺陷,從而大幅度提高LED發(fā)光二極管的工作效率,該控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、損耗小與可靠性高。

LED；熱能；自動跟蹤；控制電路；工作效率

目前，LED[1-2]發(fā)光二極管因其具有節(jié)能及環(huán)保特性，在燈具上的應用越來越多。但由于LED發(fā)光二極管的單管功率小，一般需要多只LED發(fā)光二極管進行串并聯(lián)(串聯(lián)后再并聯(lián))使用，才能滿足燈具的照度要求。而LED發(fā)光二極管發(fā)光時，80%以上的功率轉(zhuǎn)化為熱能，使得LED發(fā)光二極管PN結(jié)的工作溫度很高[3-6]。

另外，由于二極管的PN結(jié)的溫度漂移特性，不同溫度下的結(jié)壓降相差很大(剛點亮時節(jié)壓降高，穩(wěn)定工作后結(jié)壓降低)，再加上不同廠家不同批次器件的結(jié)壓降偏差也很大，而二極管PN結(jié)的電壓與電流之間是指數(shù)函數(shù)的關(guān)系，當電壓增加一點時，電流將急劇增長。LED發(fā)光二極管的亮度，與二極管的電流呈線性比例關(guān)系，因此，多只LED發(fā)光二極管的恒壓驅(qū)動亮度變化很大，沒有實用價值，一般都用恒流進行驅(qū)動[7-9]。

1 常見的LED驅(qū)動電路

如圖1所示， AC/DC將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鞣€(wěn)壓電源，DC/DC是將直流穩(wěn)壓電源再變換為多組恒流源，LED1-LED3可以組成一個LED燈串，通過一組恒流源可以驅(qū)動一串LED燈。

圖1 現(xiàn)有技術(shù)中LED驅(qū)動電路的工作原理示意圖

如圖2所示，VDC為AC/DC開關(guān)穩(wěn)壓電源的直流輸出，LED中的電流等于Z1的端電壓與R3之比。

圖2 現(xiàn)有技術(shù)中LED驅(qū)動電路的工作原理圖

如果LED中的電流增加，R3上的電壓將會隨著升高，IC1的輸出電壓降低，調(diào)整管Q1的阻抗增加，Q1上的電壓升高，LED上的壓降降低，LED中的電流下降，從而穩(wěn)定了LED中流過的電流。這里，Q1可以是MOS管，也可以是晶體管等功率器件。圖1與圖2中僅以3只LED燈作為示范，實際使用中可以根據(jù)需求設(shè)置。LED燈串的電壓就是VDC與LED-(Q1D極)之間的電壓。

在圖2中，LED驅(qū)動電路是通過改變調(diào)整管Q1的阻抗，來實現(xiàn)穩(wěn)定電流；LED燈串不變，VDC越高，Q1中的壓降就越大，Q1的損耗也就越大。另外，在開關(guān)穩(wěn)流電路中，可以采用BUCK或BOOST開關(guān)穩(wěn)流電路，損耗幾乎不隨VDC的升高而增加，效率大大提高，是現(xiàn)有技術(shù)中的主流方案[10-11]。但是，在多組開關(guān)電源中，多個工作頻率之間的干擾很大，EMC抑制很困難，電路結(jié)構(gòu)復雜，成本高，且可靠性低，這是開關(guān)穩(wěn)壓電路的最大缺陷。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中至少存在電路復雜、成本高、損耗大與可靠性低的缺陷。

2 一種自動跟蹤LED驅(qū)動電壓的新型控制電路

為解決現(xiàn)有技術(shù)的難題，本文設(shè)計出一種自動跟蹤LED驅(qū)動電壓變化的新型控制電路[12-15]，如圖3所示。其工作原理為：從串聯(lián)穩(wěn)流單元采樣一個電壓信號，與本控制電路中的基準電壓相比較，產(chǎn)生一個控制信號ADJ，ADJ是高電平低電平都可以連接到前級AC/DC的開關(guān)穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓控制回路，降低開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓VDC，從而降低調(diào)整管Q1上的電壓降，使Q1上的電壓降幾乎保持不變，電流功耗也不變。通過該控制電路，AC/DC穩(wěn)壓電源的輸出電壓VDC不再是固定不變的，它是跟隨LED燈串的工作電壓的變化而變化，使調(diào)整管的功耗不增加；從而可以克服現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)復雜、成本高、損耗大與可靠性低的缺陷，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、損耗小與可靠性高的優(yōu)點。

圖3 新型自動跟蹤LED驅(qū)動電壓的控制電路

3 自動跟蹤LED驅(qū)動電壓的控制電路的應用

上述實施方案具有以下顯著的效果[16]：

(1)換效率高：本控制電路的串聯(lián)穩(wěn)流電路的效率遠遠超過BUCK或BOOST穩(wěn)流電路的效率。圖4中的Q1上的電壓降可以控制在0.1 V以內(nèi)，R3上的電壓降也可以控制在0.1 V以內(nèi)。如果VDC在48 V左右,則轉(zhuǎn)換效率約為99%，國內(nèi)外還未有如此高轉(zhuǎn)換效率的穩(wěn)流電路。具體證明如下 ：

圖4 新型自動跟蹤LED驅(qū)動電壓的控制電路應用實施電路示意圖

設(shè)定：輸入電壓=VDC,輸入電流Iin=輸出電流Iled，Q1漏極電壓為Vled-，控制電路電壓為VC1，控制電路電流為IC1,取樣電阻R3上電壓為VR3，

燈珠工作電壓Vled=VDC-Vled-, 輸出功率Pout=Vled*Iled,

控制電路功耗PC=VC1*IC1， 輸入功率Pin=VDC*Iin+PC

按常規(guī)路燈應用電路的燈珠電壓一般為48 V，Vled=VDC-Vled-=48 V，

取樣電壓取0.1 V,即VR3=0.1 V，MOS管Q1的DS電壓Vds取0.1 V,Vled-=VR3+Vds=0.1 V+0.1 V=0.2 V,VDC=Vled+Vled-=48 V+0.2 V=48.2 V

常規(guī)2 W燈珠電流0.7 A,Iled=0.7 A,

MOS管是壓控型器件，由加在輸入端柵極的電壓來控制輸出端漏極的電流，柵極不吸收電流，穩(wěn)壓管一般取1 mA電流，整個控制電路電流IC1可以控制在10 mA以內(nèi)，即IC1=0.01 A,VC1常規(guī)12 V,即VC1=12 V,故

PC=VC1*IC1=12 V*0.01 A=0.12 W;

Pout=Vled*Iled=48 V*0.7 A=33.6 W

Pin=VDC*Iled+PC=48.2 V*0.7 A+0.12 W=33.84 W

轉(zhuǎn)換效率η=Pout/Pin=33.6 W/33.84 W=99.23%

(2)不產(chǎn)生EMC干擾；

(3)電路簡潔可靠，成本增加很少

4 實驗數(shù)據(jù)測試

如圖4所示，選用60V2A的光源，4串燈珠并聯(lián)，每串18顆3 W燈珠,每顆燈珠電壓3～3.4 V；開關(guān)電源選用63 V恒壓電源，帶電壓調(diào)節(jié)端子VADJ；R3取10 mΩ，Q1選用IRF3710，內(nèi)阻Rdson18 mΩ；Vin取0.1 V。圖4ADJ端子接開關(guān)電源VADJ，實測光源熱穩(wěn)定后工作電壓57.6 V,電流2 A,開關(guān)電源輸出電壓57.7 V,VC1用直流穩(wěn)壓電源輸出10 V,電流14 mA,控制電路損耗為10V*0.014A=0.14 W，調(diào)整管Q1及取樣電阻損耗=Vin*Io=0.1*2=0.2 W,整個恒流電路損耗=0.2+0.14=0.34 W.恒流源效率=57.6*2/(57.7*2+0.34)=99.53%.

任何控制電路都是無效率可言的，產(chǎn)生的只是一個控制信號，一般所謂的高效率是指可以做成高效率的恒流源。因此以上實驗結(jié)果表明了本設(shè)計方案確實可以做到高效率的“恒流源”，再次論證了本設(shè)計方案的先進性與可行性。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計的自動跟蹤LED驅(qū)動電壓的控制電路克服了現(xiàn)有技術(shù)中電路復雜、成本高、損耗大與可靠性低等缺陷，實現(xiàn)了電路簡潔、成本低、效率高，損耗小與可靠性高的優(yōu)點。

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The Innovation Design of Automatic Tracking Control Circuit of LED Driving Voltage

LUO Xiao-qin

(Southwest University of Science and Technology,Sichuan Mianyang 621010)

In the light emitting diode LED has about more than 80% of the power conversion into heat energy,resulting in LED light emitting diode PN junction temperature is too high,which is the main influencing factors of LED light emitting diode light-emitting efficiency and lighting function.Aiming at the above problems,combined with the reality of the situation,a control circuit of the automatic tracking of the driving voltage of LED design.A sampling voltage signal from current series compared with the reference voltage unit,the control circuit,a control signal is generated to control the series switching power supply unit level current before changes to its electrical output voltage with the pressure of the LED lamp changes,does not increase the power consumption of the adjusting tube.To avoid the common defect of constant voltage driving the brightness changes,thereby greatly improving the working efficiency of LED light-emitting diode,the control circuit has the advantages of simple structure,low cost,low loss and high reliability.

LED；heat；automatic tracking；control circuit；efficiency

2016-07-01

教育部高等學校物理基礎(chǔ)課程教學指導委員會項目(WJZW-2010-38-xn)

1007-2934(2016)06-0018-04

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.005

專利: 實用新型專利(專利號ZL201020712471.8)