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 SLM2842 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。
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推荐阅读最新更新时间:2023-10-12 22:27
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