大功率区域照明LED驱动电源方案

【摘要】从大功率LED 区域照明驱动的原理、结构、控制方法研究，提出了PWM 整流电路的控制方法和SLM2842 恒流驱动的架构，适合LED 路灯等大功率区域照明应用。

1 前言

在各种能源消耗中，据统计在照明领域电能的消耗占总电能消耗20%,因此提高照明的能源使用效率、降低其能源消耗具有十分重要的意义。采用高能效的LED 照明正在成为目前主要的发展方向。

从目前的照明领域现状来看，应用于大功率区域照明的现有光源（如金属卤素灯、高压钠灯、线性荧光灯及紧凑型荧光灯）存在着不少局限，如高压钠灯的显色性差，金属卤素灯的典型灯具损耗较高（40%）且其从启动到发光至完整亮度经历的时间可能长达10 分钟，线性荧光灯的冷温度性能差，紧凑型荧光灯的启动速度也较慢。

LED 具有传统光源不具备的优势，例如发出每流明光所消耗的电能更少、方向控制性更好、色彩质量更佳、环保，并且其开启和关闭能够更方便地控制，便于自动检测环境光从而改变亮度；随着高亮度的（LED）成本下降和性能的提高，在大功率区域照明方面，越来越多地用LED 取代金属卤素灯、高压钠灯，此外，LED 的可靠性也更好，利于降低维护成本及总体拥有成本。

2 大功率区域照明对LED 驱动电源的要求

（1）高可靠性。

能适应恶劣的环境的要求， 特别像LED 路灯的驱动电源，因为安装在高空，维修不方便。

（2）高效率。

LED 是节能产品，驱动电源的效率要高。电源的效率高，它的耗损功率小，在灯具内发热量就小，也就降低了灯具的温升。

延长了LED 灯具的使用寿命。

（3）高功率因数。

对于大功率区域照明对LED 驱动电源，如果功率因数低，会对电网产生较严重的污染。

（4）驱动方式。

现在通行的有两种：其一是一个恒压源供多个恒流源，每个恒流源单独给每路LED 供电。另一种是直接恒流供电，LED串联或并联运行。多路恒流输出供电方式是大功率区域照明LED 驱动电源发展方向。

（5）浪涌保护。

由于LED 元件抗浪涌电流的能力比较差， LED 驱动控制电源必须采取抑制浪涌电流的措施。

3 大功率区域照明LED 驱动电源方案

在大功率LED 区域照明应用中，常见的是用市电交流220V 作输入电源，通采用工频变压器降压，其缺点是体积大，输出电流稳定性差，效率低。因此设计研究体积小、输出电流稳定、效率高、可靠性高的LED 驱动电源，具有很大的实际意义。

本文提出了基于BUK 变换器的恒流源LED 驱动电路设计方案，如图1 所示。

图1 大功率区域照明LED 驱动电路原理图

3.1 AC/DC 开关电源（36V/240W）原理

（1）PWM整流电路原理。

传统的晶闸管相控整流输入电流滞后于电压，滞后角随着a的增大而增大，位移因数随之降低，输入电流中谐波分量大，功率因数很低。二极管整流虽位移因数接近1,但输入电流中谐波分量很大，所以功率因数也很低。因此AC/DC 整流降压采用PWM整流电路， 其工作原理如图2 所示，在整流运行状态下， 当外加电压> 0 时，由V2、D4、D1、L 和V3、D1、D4、L 分别组成两个升压斩波电路。当V2 导通时，外部电源通过V2、D4 向L 储能，当外加电压< 0 时，由V1、D3、D2、L 和V4、D2、D3、L 分别组成两个升压斩波电路，工作原理和外加电压> 0 时类似；当V2 关断时，L 中储存的能量通过D1、D4 向直流侧C 充电。由于的L 滤波作用，谐波电压只使输出电流产生很小的脉动。

图2 PWM 整流电路原理图

（2）PWM整流电路的控制方法。

PWM整流电路的控制方法是通过运算求出直流输入电压指令值，再引入直流电压反馈，通过对直流电流的控制而使其跟踪指令电流值。其原理如图3 所示。

图3 电流控制电路原理图。

控制系统的闭环是整流器直流侧电压控制环，直流电压给定信号和实际直流电压Ud 比较后送入PI 调节器，PI 调节器的输出为一直流电流信号Id,Id 的大小和整流器交流输入电流幅值成正比。当负载电流增大时，C 放电而使其Ud 下降，PI调节器的输入端出现正偏差，使其输出Id 增大，使整流器交流输入电流增大，也使Ud 回升。 负载电流减小时，调节过程和上述过程相反。

3.2 S LM2842 恒流驱动原理

大功率区域照明一般采用交流市电供电，故采用比较高的输出电压（36V 以上）以提高效率，故采用降压型恒流源。采用大功率降压SLM2842J 的实际电路，输出电压为36V,输出功率可达60W,最高效率可达98%.其原理如图4 所示。

图4 SLM2842 恒流驱动电路原理图。

3.3 驱动电源的主要功能及技术指标

3.3.1 输出架构

（1）负载为6 组LED,每组为8 串5 并；（2）AC/DC 恒压开关电源输出为28V,最大功率200W,效率92%;（3）可调光降压型恒流模块SLM2842JD,输入电压28V,输出电流1.4A;（4）程序调光控制器可在点灯后启动，并按照一定程序自动调光。

3.3.2 输出电流

LED 是非线性器件，当正向电压变化10%将引起正向电流变化30%.另外，当环境温度升高时，LED 正向工作电压将下降，引起正向电流增加，电流增加又将引起管芯结温进一步的增加，如此不断的恶性循环电流会越来越大，以致损坏LED.

故不能采用电压控制。LED 电流与LED 光通量的比值是非线性的，应该使LED 在高光效电流值下工作。多个LED 可以串联驱动，电流恒定，可以使电路的效率提高而使其亮度均匀。

本文提出驱动电源的其电流误差小±5%（如图5 所示）。

图5 SLM2842 恒流特性图

3.3.2 亮度调节功能

在区域LED 照明应用中，都需要LED 调光功能。通常的调光方式是减少LED 电流或者是让LED 快速导通和截止。由于输出光强度不全与电流成正比，LED 光谱在电流低于额定值时还常会移动，所以减少LED 电流不是很有效率的做法，需要大范围的调节电流才能达到较好调光效果。本文提出驱动电源的包含PWM调光功能的降压转换电路，能不断接通和切断LED 与电路的联接，这种架构让控制回路永远处于运行状态，故能提高响应速度。

3.3.3 保护功能

（1）过压、欠压保护。

2842 芯片的关闭阈值设在36V,开启阈值设在10V.输出电压可在达到过电压设定值时驱动器自动关闭电源。

（2）短路、断路保护。

当LED 发生短路故障时，驱动器输出电流恒定，其它LED仍能正常工作；当LED 发生断路故障时，输出电压可在达到过电压关闭阈值时驱动器自动关闭电源，以起到短路、断路保护作用。

4 结束语

大功率区域照明LED 驱动电源技术将向智能化、网络化方向发展。系统模式是在能源管理控制器的控制下通过模/ 数转换电路采集现场数据反馈到控制终端，对环境的亮度、LED灯组温度等参数实时控制，实现对区域照明系统的智能化控制。采用Zigbee 技术可为大功率LED 区域照明系统组成一个区域网络。