【摘要】從大功率LED 區(qū)域照明驅(qū)動(dòng)的原理、結(jié)構(gòu)、控制方法研究，提出了PWM 整流電路的控制方法和SLM2842 恒流驅(qū)動(dòng)的架構(gòu)，適合LED 路燈等大功率區(qū)域照明應(yīng)用。

1 前言

在各種能源消耗中，據(jù)統(tǒng)計(jì)在照明領(lǐng)域電能的消耗占總電能消耗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義。采用高能效的LED 照明正在成為目前主要的發(fā)展方向。

從目前的照明領(lǐng)域現(xiàn)狀來(lái)看，應(yīng)用于大功率區(qū)域照明的現(xiàn)有光源（如金屬鹵素?zé)?、高壓鈉燈、線性熒光燈及緊湊型熒光燈）存在著不少局限，如高壓鈉燈的顯色性差，金屬鹵素?zé)舻牡湫蜔艟邠p耗較高（40%）且其從啟動(dòng)到發(fā)光至完整亮度經(jīng)歷的時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)10 分鐘，線性熒光燈的冷溫度性能差，緊湊型熒光燈的啟動(dòng)速度也較慢。

LED 具有傳統(tǒng)光源不具備的優(yōu)勢(shì)，例如發(fā)出每流明光所消耗的電能更少、方向控制性更好、色彩質(zhì)量更佳、環(huán)保，并且其開(kāi)啟和關(guān)閉能夠更方便地控制，便于自動(dòng)檢測(cè)環(huán)境光從而改變亮度；隨著高亮度的（LED）成本下降和性能的提高，在大功率區(qū)域照明方面，越來(lái)越多地用LED 取代金屬鹵素?zé)?、高壓鈉燈，此外，LED 的可靠性也更好，利于降低維護(hù)成本及總體擁有成本。

2 大功率區(qū)域照明對(duì)LED 驅(qū)動(dòng)電源的要求

（1）高可靠性。

能適應(yīng)惡劣的環(huán)境的要求， 特別像LED 路燈的驅(qū)動(dòng)電源，因?yàn)榘惭b在高空，維修不方便。

（2）高效率。

LED 是節(jié)能產(chǎn)品，驅(qū)動(dòng)電源的效率要高。電源的效率高，它的耗損功率小，在燈具內(nèi)發(fā)熱量就小，也就降低了燈具的溫升。

延長(zhǎng)了LED 燈具的使用壽命。

（3）高功率因數(shù)。

對(duì)于大功率區(qū)域照明對(duì)LED 驅(qū)動(dòng)電源，如果功率因數(shù)低，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較嚴(yán)重的污染。

（4）驅(qū)動(dòng)方式。

現(xiàn)在通行的有兩種：其一是一個(gè)恒壓源供多個(gè)恒流源，每個(gè)恒流源單獨(dú)給每路LED 供電。另一種是直接恒流供電，LED串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行。多路恒流輸出供電方式是大功率區(qū)域照明LED 驅(qū)動(dòng)電源發(fā)展方向。

（5）浪涌保護(hù)。

由于LED 元件抗浪涌電流的能力比較差， LED 驅(qū)動(dòng)控制電源必須采取抑制浪涌電流的措施。

3 大功率區(qū)域照明LED 驅(qū)動(dòng)電源方案

在大功率LED 區(qū)域照明應(yīng)用中，常見(jiàn)的是用市電交流220V 作輸入電源，通采用工頻變壓器降壓，其缺點(diǎn)是體積大，輸出電流穩(wěn)定性差，效率低。因此設(shè)計(jì)研究體積小、輸出電流穩(wěn)定、效率高、可靠性高的LED 驅(qū)動(dòng)電源，具有很大的實(shí)際意義。

本文提出了基于BUK 變換器的恒流源LED 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案，如圖1 所示。

圖1 大功率區(qū)域照明LED 驅(qū)動(dòng)電路原理圖

3.1 AC/DC 開(kāi)關(guān)電源（36V/240W）原理

（1）PWM整流電路原理。

傳統(tǒng)的晶閘管相控整流輸入電流滯后于電壓，滯后角隨著a的增大而增大，位移因數(shù)隨之降低，輸入電流中諧波分量大，功率因數(shù)很低。二極管整流雖位移因數(shù)接近1,但輸入電流中諧波分量很大，所以功率因數(shù)也很低。因此AC/DC 整流降壓采用PWM整流電路， 其工作原理如圖2 所示，在整流運(yùn)行狀態(tài)下， 當(dāng)外加電壓> 0 時(shí)，由V2、D4、D1、L 和V3、D1、D4、L 分別組成兩個(gè)升壓斬波電路。當(dāng)V2 導(dǎo)通時(shí)，外部電源通過(guò)V2、D4 向L 儲(chǔ)能，當(dāng)外加電壓< 0 時(shí)，由V1、D3、D2、L 和V4、D2、D3、L 分別組成兩個(gè)升壓斬波電路，工作原理和外加電壓> 0 時(shí)類(lèi)似；當(dāng)V2 關(guān)斷時(shí)，L 中儲(chǔ)存的能量通過(guò)D1、D4 向直流側(cè)C 充電。由于的L 濾波作用，諧波電壓只使輸出電流產(chǎn)生很小的脈動(dòng)。

圖2 PWM 整流電路原理圖

（2）PWM整流電路的控制方法。

PWM整流電路的控制方法是通過(guò)運(yùn)算求出直流輸入電壓指令值，再引入直流電壓反饋，通過(guò)對(duì)直流電流的控制而使其跟蹤指令電流值。其原理如圖3 所示。

圖3 電流控制電路原理圖。

控制系統(tǒng)的閉環(huán)是整流器直流側(cè)電壓控制環(huán)，直流電壓給定信號(hào)和實(shí)際直流電壓Ud 比較后送入PI 調(diào)節(jié)器，PI 調(diào)節(jié)器的輸出為一直流電流信號(hào)Id,Id 的大小和整流器交流輸入電流幅值成正比。當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，C 放電而使其Ud 下降，PI調(diào)節(jié)器的輸入端出現(xiàn)正偏差，使其輸出Id 增大，使整流器交流輸入電流增大，也使Ud 回升。 負(fù)載電流減小時(shí)，調(diào)節(jié)過(guò)程和上述過(guò)程相反。

3.2 S LM2842 恒流驅(qū)動(dòng)原理

大功率區(qū)域照明一般采用交流市電供電，故采用比較高的輸出電壓（36V 以上）以提高效率，故采用降壓型恒流源。采用大功率降壓SLM2842J 的實(shí)際電路，輸出電壓為36V,輸出功率可達(dá)60W,最高效率可達(dá)98%.其原理如圖4 所示。

圖4 SLM2842 恒流驅(qū)動(dòng)電路原理圖。

3.3 驅(qū)動(dòng)電源的主要功能及技術(shù)指標(biāo)

3.3.1 輸出架構(gòu)

（1）負(fù)載為6 組LED,每組為8 串5 并；（2）AC/DC 恒壓開(kāi)關(guān)電源輸出為28V,最大功率200W,效率92%;（3）可調(diào)光降壓型恒流模塊SLM2842JD,輸入電壓28V,輸出電流1.4A;（4）程序調(diào)光控制器可在點(diǎn)燈后啟動(dòng)，并按照一定程序自動(dòng)調(diào)光。

3.3.2 輸出電流

LED 是非線性器件，當(dāng)正向電壓變化10%將引起正向電流變化30%.另外，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，LED 正向工作電壓將下降，引起正向電流增加，電流增加又將引起管芯結(jié)溫進(jìn)一步的增加，如此不斷的惡性循環(huán)電流會(huì)越來(lái)越大，以致?lián)p壞LED.

故不能采用電壓控制。LED 電流與LED 光通量的比值是非線性的，應(yīng)該使LED 在高光效電流值下工作。多個(gè)LED 可以串聯(lián)驅(qū)動(dòng)，電流恒定，可以使電路的效率提高而使其亮度均勻。

本文提出驅(qū)動(dòng)電源的其電流誤差小±5%（如圖5 所示）。

圖5 SLM2842 恒流特性圖

3.3.2 亮度調(diào)節(jié)功能

在區(qū)域LED 照明應(yīng)用中，都需要LED 調(diào)光功能。通常的調(diào)光方式是減少LED 電流或者是讓LED 快速導(dǎo)通和截止。由于輸出光強(qiáng)度不全與電流成正比，LED 光譜在電流低于額定值時(shí)還常會(huì)移動(dòng)，所以減少LED 電流不是很有效率的做法，需要大范圍的調(diào)節(jié)電流才能達(dá)到較好調(diào)光效果。本文提出驅(qū)動(dòng)電源的包含PWM調(diào)光功能的降壓轉(zhuǎn)換電路，能不斷接通和切斷LED 與電路的聯(lián)接，這種架構(gòu)讓控制回路永遠(yuǎn)處于運(yùn)行狀態(tài)，故能提高響應(yīng)速度。

3.3.3 保護(hù)功能

（1）過(guò)壓、欠壓保護(hù)。

2842 芯片的關(guān)閉閾值設(shè)在36V,開(kāi)啟閾值設(shè)在10V.輸出電壓可在達(dá)到過(guò)電壓設(shè)定值時(shí)驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)關(guān)閉電源。

（2）短路、斷路保護(hù)。

當(dāng)LED 發(fā)生短路故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出電流恒定，其它LED仍能正常工作；當(dāng)LED 發(fā)生斷路故障時(shí)，輸出電壓可在達(dá)到過(guò)電壓關(guān)閉閾值時(shí)驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)關(guān)閉電源，以起到短路、斷路保護(hù)作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

大功率區(qū)域照明LED 驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)將向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。系統(tǒng)模式是在能源管理控制器的控制下通過(guò)模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)反饋到控制終端，對(duì)環(huán)境的亮度、LED燈組溫度等參數(shù)實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域照明系統(tǒng)的智能化控制。采用Zigbee 技術(shù)可為大功率LED 區(qū)域照明系統(tǒng)組成一個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。