LED日光燈驅動電路設計及仿真分析

長風石皮浪 2012-01-15

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       目前小功率LED在使用時會對LED進行并聯、串聯，而使用過程中只要有一個LED 短路或開路，都將導致小片或整條LED熄滅，影響照明效果，因此研究簡單、廉價的驅動電路具有重要的意義。本文介紹了LED日光燈驅動的特點，設計了實用的電容降壓式LED日光燈驅動電路，著重分析了關鍵元件參數的選擇原則。采用PSp ice仿真軟件對設計的電路進行了可行性驗證，并在此基礎上制作了實物電路，用作12W T8標準LED日光燈電源。經實驗驗證，該電路穩(wěn)定可靠，成本低，適用于多種小功率LED驅動。

1 日光燈電路設計

1. 1 LED日光燈驅動
        目前小功率照明產品中，廣泛使用兩種驅動電路形式：恒流驅動和穩(wěn)壓驅動。前者電路輸出的電流是恒定的，輸出電壓隨負載的變化而變化，且恒流驅動通常使用恒流IC,使用時對IC承受的最大電壓值要求較高，限制了LED 使用的數量。后者輸出電壓是固定的，輸出電流隨負載（LED）數量的增減而變化。實驗證實，由于LED封裝中其正向壓降離散值較大，且LED亮度輸出與其電流成正比，LED 亮度一致性較差，但通過串加合適電阻可以使每串LED亮度平均，較適于低端照明市場。

1. 2 LED日光燈電路設計
        LED日光燈驅動電路原理圖如圖1所示。

圖1 LED日光燈驅動電路

該電路共驅動140只白光LED （小功率） ,采用35串4并的模式，采用電容降壓式驅動方式。其中， C1、C4 為并聯的兩個相同的電容，起降壓及限流作用； 4個1N4007組成的整流橋對輸入交流電壓進行整流；濾波電容C3 用于濾除整流輸出電壓中的交流成分，使電壓更為平滑； L1、C2 用于濾除輸出電壓中的高頻成分；電阻R4 為C3 提供放電回路；采用單向晶閘管SCR729210對電路進行保護， R3 為限流電阻。

1. 2. 1 降壓電容選擇
因為通過降壓電容C 向負載提供的電流IO實際上就是流過C 的充放電電流IC.當負載電流IO 小于C的充放電電流IC 時，多余的電流就會流過濾波電容C2。

式中：Ui ---輸入交流電壓有效值；f---交流信號頻率。

         因此，對于負載所消耗的64 mA電流I_^o ,至少需要降壓電容值Cmin = 0. 928 μF.另外，為保證C可靠工作，其耐壓選擇應大于2倍的電源電壓，因此，選擇兩個684MF /630 V電容并聯工作。

1. 2. 2 輸出整流及濾波電路
         根據有些文獻，整流橋上單個二極管所承受的電壓最大值URM = √2Ui （Ui 為輸入電壓的有效值）= 318. 4 V, 因此，選用常用的整流二極管1N4007 （URM = 1000 V，IF = 1 A）。

         為使輸出端得到平滑的負載電壓，一般取RL C≥ （3~5） T /2,其中RL 為負載阻抗， T為輸入信號周期（ 0. 02 s） ,可得C≥24. 38 μF.原則上電容值取的越大，輸出電壓越平滑，其紋波值越小。但是，隨著電容容量的增大，其體積也隨著增大，考慮到電路要安裝在普通T8 燈管中，實取33μF /160 V 的電解電容；同時為得到更平滑的輸出電壓，選取L1 為100 μH 線繞電感， C1 為0. 01μF瓷片電容。

1. 2. 3 輸出保護電路設計
        LED中使用的電流不能超過其規(guī)格穩(wěn)定值，長期超過負荷不僅不會增大亮度（白光LED在大電流下會出現飽和現象，發(fā)光效率大幅度降低） ,而且還會縮短LED 壽命，影響LED 照明電路的可靠性。由于LED正向導通后，其正向電壓的細小變動將會引起LED電流的大幅度變化，因此，需要在輸出端設置輸出保護電路。

        該電路由VT1、R2、R3 組成，VT1采用Motoro2la公司的MCR729210 （UDRM = 800 V,控制極觸發(fā)電壓UGT = 0. 8 V,觸發(fā)電流IGT = 10 mA） .R2 為單向晶閘管提供觸發(fā)偏置電壓，其阻值的選擇至關重要，如果值太大，則電路中某些不穩(wěn)定因素導致LED中的電流瞬間變大，會導致晶閘管頻繁觸發(fā)，保護電路頻繁起作用，造成電路工作不正常；如果阻值選的過小， LED可能在超出其規(guī)格穩(wěn)定值下工作，保護電路不靈敏，會造成LED壽命縮短。因要求LED支路電流為16 mA,則：

為留有一定的裕量，選取R2 = 10Ω。

2 仿真及實驗分析

2. 1 日光燈電路的PSpice仿真
為理論上驗證設計的可行性，采用PSp ice軟件對電路進行了仿真分析。結果如圖2所示。電路在210 ms時進入穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定后其輸出電壓為97 ±2. 2 V,輸出電流為14. 7 ±0. 3 mA,基本驗證了電路設計的可行性。LED 日光燈電路輸出特性如圖2所示。

圖2 LED日光燈電路輸出特性。

為驗證輸出保護電路的功能，對電阻R2 進行參數掃描分析，之后進行性能分析。結果如圖3所示?？梢钥闯?，當R2 從1 Ω 增大到13. 889Ω時，輸出電流開始下降，表明此時單向晶閘管處于臨界導通狀態(tài)；然后隨著R2 的繼續(xù)增大，輸出電流急劇下降，直至R2 為15. 119Ω時，輸出電流穩(wěn)定在5. 2 mA 左右，表明單向晶閘管已經完全導通，保護電路已經起作用。

圖3 輸出電流與R2 阻值關系曲線

2. 2 試驗數據
從PSp ice仿真的結果來看，電路設計具有可行性，因此依據此電路制作了12 W 日光燈。標準燈管為1 190 mm ×30 mm,采用兩條相同的PCB電路板（尺寸593 mm ×25 mm）對接而成，并采用湖州升譜SPL2000電光源光色電綜合分析系統(tǒng)對電路的相關參數進行了測試。實測輸入電壓VAC為220 V時，該電路總電流127 mA,相當于每支路為15. 85 mA,電路功率因數為0. 465,電路實耗功率為11. 4W。

在不損壞LED的條件下進行了測試，降壓電容C1 的電容值與輸出電流的關系如圖4所示（因為兩個電容是相同的，圖4中只表示出單一電容值）?？梢?，隨著電容值的增加，輸出電流幾乎呈線性上升，待增加到一定值時（約20 mA） ,保護電路起作用，迫使經過LED支路的電流下降。

圖4 實測輸出電流與降壓電容的關系