基于宽范围输入的高效LED驱动电源的设计与研究

张立娟

（吉林电子信息职业技术学院，吉林 吉林 132000）

0 引 言

发光二极管（Light Emitting Diode，LED）出现于20世纪中期，LED发展初期发光度低且颜色单一，经不断发展LED发光度逐渐提高，颜色也多种多样，其将电能转化为光能的效率更高，目前被广泛应用于显示器和照明。LED在低电压下便可实现正常工作运行，输入电压范围在1.0～3.0 V，当输入电压超出这一范围则会损坏LED，驱动电源的重要性由此体现出来。目前，市面上常见的LED电源输入范围在80～265 V。为提高LED驱动电源的使用灵活性，本文设计了一款宽范围高效LED驱动电源。

1 LED发光原理及驱动方式

1.1 LED发光原理

电子跃迁是LED发光主要原理，LED的本质为III-IV族化合物，常见化学成分为磷化镓（GaP）和磷砷化镓（GaAsP）。P型半导体晶片与N型半导体晶片是产生电能的重要结构，被称为PN结，被安置于以上两种半导体材料之间的过渡层，可实现反向截止和正通导向与发光。热平衡条件下，N区电子大量跃迁，P区低跃迁率空穴增多，但受PN结单项限制影响，二者无法直接结合。在PN结上施加正电压时，相对载流子本身的扩散运动大于漂移运动，从而使N区跃迁电子与P区空穴相结合，并以光能的形式将能量释放出来，而在PN结上施加反电压时则不会产生光能。

1.2 LED驱动方式

LED的连接可分为串联和并联两种，串联可实现LED发光亮度均匀，若其中一个LED短路，其余LED会分配更高电压，容易损坏LED，因此针对串联需连接恒流电源；并联可实现LED所需电压更低，若其中一个LED短路，整个电路均会短路，致使LED无法工作，因此针对并联需连接恒压驱动。但经实验研究证明，当某一LED出现故障时，只需满足电流正常即可实现其他LED的点亮，然而如果驱动器发生损坏，LED被大量损毁，内部引线开路，此时采取何种方式连接均无法点亮LED，可见在选择LED连接方式时应优先考虑串联。但是仅采用串联需要的电压较高，不符合经济效益，因此可采取串联、并联联合使用的方式，以提高经济效益和LED发光效果。

2 LED电源驱动原理

高效LED驱动电源指的是将常规的电源供应转换为特定的电压和电流，从而驱动LED发光的电源转换器。相比传统光源所需电压，LED所需要的电压为可随负载正电压值变化而改变电压的恒定输出电流源。当高效LED驱动电源正常工作时，无论电网的电压如何变化，驱动电源均能在80～265 V的电压下实现正常工作。同时，将有效的保护装置加入驱动电源电路当中，则能够大幅度提高驱动电源的使用寿命[1-4]。作为新一代节能光源，只要将驱动电源的效率维持在90%以上，提高电源效率，就会大幅度降低LED所损耗的功率，进而显著降低灯管内的发热量，从而减缓了灯管温度的升高速度。这样不仅能够有效延缓LED的光衰，也一定程度上解决了光管散热难度大的问题。电网对负载的功率因数要求较高，一旦出现功率因数低的状况，电网的电压则会受到严重的影响，使得电网发生波动，从而导致其他用电器的用电质量大幅度降低。即使我国目前没有对用电量小的电器进行强制要求，但如果这类电器均有较低的功率因数，也很有可能对电网造成不同程度的污染。本文设计的高效LED驱动电源将功率因数提高到0.9以上，不仅可将电能使用效率的问题进行有效解决，也能够降低LED对电网造成的污染[5]。

3 LED电源驱动器设计

3.1 驱动电源系统整体架构

在驱动电源的存在下，LED在输入电流后可借助LED驱动电源的帮助输出稳定的直流电，并可完全满足电磁兼容的要求。在设计控制电路的过程中，可向集中控制、标准化模块、系统可扩展性等3个方面发展[6]。待电流正常输入之后，首先需要经过前级保护电路对输入电流进行有效保护，随后电流进入EMI滤波电路，利用EMI滤波电路将输入电流中存在的以及电源线产生的电磁污染进行有效抑制，接着电流进入全波整流滤波电路，得到较为平滑的电压。所得电压分为两股：一股进入LLC谐振变换器，经转换将得出的平稳直流电压输送给负载供电，随后光电耦合器件会将PWN电压信号传送至控制器；另一股进入启动电路，通过启动电路的电压随后进入控制器。两股进入控制器的电压信号在控制器内进行比较，最后通过对器件的导通与截止进行开关，实现变压器能量传递的控制。

3.2 控制电路设计

本文设计的宽范围输入高效LED驱动电源，采用的转换器为MCZ5205SE LLC电流共振桥式转换器，使其对控制器进行有效控制，以此作为驱动电源的控制芯片。MCZ5205SE控制芯片当中不仅拥有可控制临界型PFC控制器以及附带高耐压门驱动器的变频LLC桥型全波电流共振电源控制器，还具有各种保护能力[7]。MCZ5205SE与传统的PWN控制器有所不同，前者主要利用更为简单的开/关控制来稳定地输出电压。控制器则由振荡器、时间检测器、反馈放大器、PFC监测、信号控制电路、软启动与检查电路、过电流检测电路、输入锁定电路、MOS门驱动电路以及PFC过电流检测电路等部分组成。本文所设计的高效LED驱动电源还具有智能控制能力，这一功能的存在使得无论LED的负载电流受到任何因素的影响，均可实现电流一直维持在事先设计好的水平上。这是因为在受到外界因素影响致使负载电流发生变化之后，控制器能够通过对开关进行控制，使得负载电流能够快速恢复至初始设定的电流值上，从而保证LED的平稳运行。

3.3 EMI滤波电路设计

EMI滤波电路的作用会伴随着电压、电流的作用而产生，意义在于消除EMI。其在发挥作用的过程中，利用电感元件和电容元件特性，将电流产生的信号-信号、电源-电源、信号-电源、电源-信号之间产生的EMI进行有效消除。这样不仅能够确保整个系统的顺利运行，而且可避免释放对人们身体健康有害地电磁干扰[8]。

光电产品抵抗浪涌的能力较为薄弱，尤其是在抵抗反向电压和电网谐波串入的过程中。因此为实现光电产品抵抗浪涌能力的提升，本文所设计的高效LED驱动电源便通过加入EMI滤波电路来达到提升LED抵抗浪涌能力的目的。电流输入和电网侵入均可导致出现不同种类的浪涌电流，EMI滤波电路则能对其进行有效抑制，不仅避免这些浪涌电流对人体产生影响，还可对LED加以保护，避免LED受到损害。上面提到的两种电磁干扰一般情况下会同时存在，同时共模比差模更容易产生电磁干扰，可见EMI滤波电路在抑制共模引起的电磁干扰中发挥的作用更大。

3.4 LLC谐振变换器设计

LLC谐振变换器为LED TV的主功率拓扑之一，与其他转换器的功能相对比，前者的功能优势更多，但是LLC谐振变换器的设计难度较大，因此未受到广泛的关注。输入电源、开关网络、谐振网络、理想变压器、整流桥、滤波网络以及负载共同组成LLC谐振变换器，其对串联、并联谐振变换器的特点和优势进行了整合。当负载和输入电压发生较大的变化时，借助LLC谐振变换器依然能够有效调节输出电压的稳定性，并能够对二极软管开关进行有效控制[9-10]。

4 结 论

在LED备受关注的情况下，大力发展LED技术以及LED相关技术逐渐成为科技研究者的主要工作内容。本文为实现LED在宽范围输入的情况下依然能够平稳运行，设计出了一种高效LED驱动电源。这种驱动电源不仅在恒流效果、电流输出等方面具有极强优势，而且具有体积小、生产成本低等特点。