大功率LED路灯照明驱动电源的优化设计

目前LED 路灯驱动电源存在着输出功率低、转换效率差、功率因数不高、输出特性不稳定及可靠性差等问题，严重制约了LED路灯的推广使用，本文针对以上问题优化了LED 路灯驱动电源电路。采用了HV9910 这款灵活简单的LED 驱动器IC 提供电源，PWM自动调节实现恒流输出，稳压管过压锁定实现空载保护，电磁隔离和光隔离实现隔离输出。本设计体积小，微调反馈电路可设置作为为LED驱动常用的350mA或700mA恒流输出，简化了电路的设计，提高了驱动电源的可靠性。
   　　1 LED驱动电路研究的意义和价值
   　　LED由于节能环保、寿命长、光电效率高、启动时间按短等众多优点，成为了照明领域关注的焦点，近年来发展迅速。由于LED独特的电气特性使得LED驱动电路也面临更大的挑战，LED驱动电路关系到整个LED照明系统性能的可靠性。因此为防止LED的损坏，这些都要求所设计系统能够精准控制LED输出电流。目前采用的稳压驱动电路，存在稳流能力较差的缺点，从而导致LED寿命大为缩短。
   　　当前，直流输入LED驱动电源已经发展了较长的一段时间，电路已比较成熟，而用于市电输入照明的LED驱动电路，很多采用交流输入电容降压及工频变压器降压，电源体积过大，输出的电流稳定性差，性能很低。目前针对市电输入的降压驱动电路是当前LED驱动市场的难点和热点。LED照明时一种绿色照明，其驱动电源的输出功率较小，在此情况下实现电源的高效率是另一大难点。同时，由于LED的使用寿命理论上长达10 万小时，这要求驱动电源很高的可靠性。
   　　综上，根据市场需求，为LED提供性能优良的驱动电路，具有很大的经济价值和实用意义。
   
   　　2 概述
   
   　　大功率LED现在还不能大规模取代传统的白炽灯，但它们在室内外装饰、特种照明方面有着越来越广泛的应用，因此掌握大功率LED恒流驱动器的设计技术，对于开拓大功率LED的新应用至关重要。
   　　照明是人类消耗能源的一个重要方面，据研究统计，若使用固态LED 光源代替传统的白炽灯和荧光灯照明，将节约全球照明能耗的50%以上，有助于缓解当前越来越紧迫的能源和环境问题。城市道路照明是重要的LED应用领域，LED路灯照明装置能否实际应用推广的关键因素之一是其驱动电源的优劣。LED路灯驱动电源需要较高的输出功率，工作环境较为复杂，要求有较高的电磁兼容性，且由于LED本身的寿命很长，驱动电源的可靠性也被要求与之匹配。现阶段，市场上的LED路灯驱动电源大多无法满足以上要求。
   
   　　3 设计方案
   
   　　HV9910 应用恒定频率峰值电流控制的脉宽调制（PWM） 方法，采用了一个小电感和一个外部开关来最小化LED驱动器的损耗。不同于传统的PWM控制方法，该驱动器使用了一个简单的开/ 关控制来调整LED的电流，因而简化了控制电路的设计。
   　　该驱动器具有内置的降低亮度控制，能协同外部衰减范围在0 至100%的PWM信号工作，也可以利用其衰减引脚上外接的任意可在0至最大值之间调整的线性控制电压来实现亮度控制。HV9910 适用于LED常规或装饰灯、替代氖灯的LED以及其它高压交/ 直流输入的应用。
   　　3.1 电源的主要技术参数
   
   　　
   
   　　3.2 HV9910B路灯方案原理图
   
   　　
   
   　　3.3 电路的特点
   　　1） 无需电解电容及变压器，这样他增加了电源的使用寿命。如果LED驱动器理有电解电容，那寿命主要取决于电解电容，电解电容的使用寿命有一个大家公认的近似计算法则：既温度每下降10 度使用寿命增加一倍。比如说标称105 度2000 小时的电解电容，在65 度下使用寿命大约是32000 小时。
   　　2） 高效率。这款灵活简单的LED驱动器IC效率超过93%，可减少相关元件的数量，从而降低了系统成本。HV9910 可将调整过的85V至265Vac 或8V至450Vdc 电压源转换为一个恒流源，从而为串连或并联的高亮LED提供电源。
   　　3） 电路简单，仅需一个芯片HV9910 的实现就能实现所有的功能，没有用到变压器，提高了功率的效率，减少了空间，增加了系统的可靠性。
   　　3.4 电磁兼容，高PFC、过EMI
   　　采用高PFC 功能电路设计的室外LED 路灯电源，内置完善的EMC电路和高效防雷电路，符合安规和电磁兼容的要求。再用电压环反馈，限压恒流，效率高，恒流准，范围宽，实现了宽输入，稳压恒流输出，避免了LED正向电压的改变而引起电流变动，同时恒定的电流使LED得亮度稳定。整机元件少，电路简单。
   　　3.5 电源的PCB设计
   　　本文在PCB 布局过程中，将易受干扰的元器件、输入与输出元件、具有较高的电位差的元器件或导线间距离尽可能加大，提高电路的抗干扰能力。
   　　本文遵守以下原则进行PCB布线：
   　　1） 尽量避免相邻的线平行排列，平行走线的最大长度小于3cm，避免线间电容使电路发生反馈耦合和电磁振荡；
   　　2） 为避免高频回路对整个电路的影响，尽可能减小其面积，并使用较细的导线；
   　　3） 合理设计PCB导线的宽度，电源进线线宽1.5mm，开关电源输入线的相线与中线间距3.5mm，电源地与输出地间距、变压器的初级与次级间距均大于8mm;
   　　4） PCB的地线和电源输出线应尽可能采用较宽的线。
   　　合理选择接地方式是是抑制干扰的重要方法。低频电路中接地电路形成的环流对电路干扰较大，因而采用单点接地。当信号工作频率大于10MHz 时，地线阻抗变得很大，采用就近多点接地来降低地线阻抗。当工作频率在1~10MHz 时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。本文在PCB设计时，采用了两级控制电路分别就近单点接地的方式。
   
   　　4 本文小结
   
   　　本文主要通过对电源的各个电路模块（EMI 电路，输入整流滤波电路） 和反馈电路和PWM控制回路的设计达到对LED电源的优化。
   　　大功率LED照明技术有着广阔的发展前景，因而受到普遍的关注和投资者的追捧。现阶段，由于LED芯片设计和制造技术及材料等诸多因素的限制，它暂时还不能完全取代传统的白炽灯，因而人们更为关注大功率LED在路灯照明中的应用。