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1、交流市电供电的大功率 LED 节能灯一、应用前景LED 发光二极管是一种高效固体发光器件，随着半导体制造技术的发展，LED已从早期的工作电流不过20mA,仅用于指示、显示等低亮度发光场合的小 功率 LED ，发展到现在的工作电流超安培，功率达 110W 的大功率白光 LED， 使之将其用于高亮度照明的普通发光领域成为可能。 LED 相比传统照明的白炽 灯、荧光灯、金卤灯等具有高效率、长寿命的显著优点。白光 LED 的光效一般 为40120ml/W，预计在未来几年内可达 200 ml/W以上，是白炽灯(815 ml/W) 的38倍，荧光灯(3060 ml/W)的12倍。更为可贵的是白光 LED的
2、发光光 谱几乎全部集中在可见光范围， 而白炽灯在红外、 荧光灯在紫外范围还造成了大 量的能量(非可见光)损失，白光 LED 在可见光范围的实际发光效率是白炽灯 和荧光灯的 38 倍以上，实际节能效果非常显著。将 LED 发光二极管用于照明 是节能减排的一个重要研究方向， 目前，国际国内均在其实用化研究方面投入了 大量的人力物力。LED 应用于照明在国外研究、应用较早，发展较快。但我国的一些城市也 开始了大规模应用的尝试， 2008年奥运会，水立方照明工程就采用了 LED 照明 方案，比普通照明节电 60%以上；山东潍坊已安装 LED 路灯 11000 余盏，在保 证路面照度相同 (甚至更优)的
3、前提下，实测比高压钠灯节电 69%，比金卤灯节 电 70%，每天节电超过 2.4 万度。据测算，如果美国 55%的白炽灯、荧光灯用 LED 照明替代，每年可节约电费 350 亿美元，减排二氧化碳 7.55 亿吨；日本计 划在 5 年内全国公共场所 50%的传统灯具用 LED 照明替代，每年可减少 60 亿公 升的原油消耗，相当于5座1.35*10A6kW核电站的发电量。我国也非常重视LED 的照明应用，目前已确定深圳、上海、南昌、厦门和大连 5 个国家级半导体照明 工程基地，上海世博会也确定以绿色节能为主题， 世界照明行业知名公司欧司朗、 飞利浦、西门子和 HP 等都争先与之合作，以促进 LE
4、D 在照明方面的应用。今 年，科技部批准了全国 16个省市的 21 个城市为 “十城万盏” 半导体照明应用工 程试点城市。这项工程的目标是到 2011 年，在试点城市市政工程推广应用 600 万盏半导体照明产品， 直接拉动内需 150 亿元；到 20 1 5年，半导体照明进入 30%的通用照明市场。可以肯定，在未来的若干年间LED在照明领域的研究和应用是一个绝对的热门研究方向，应用前景十分广阔。灯具光源种类光源光效 (WW)灯具数率 (XI00%)灯具有議光效 (Im/W)LED光源90 - 13090%81 - 117HPS高压钠灯 100 - 13055%55 -12Halide金贞灯55
5、%44CFL型节能灯-60-7060%36-42无极灯60 (大功率50)60%36 (30)白炽灯 15-普通荧光灯60 80-70%42 - 56表L各种灯具的效率二、电路原理1、大功率LED伏安特性100500.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.Q Vf - Forward Valtags (Volts j1从伏安特性上可以看出，电源电压的 10%的变化(3.4V-3.1V),就会引起 正向电流的3.5倍的变化(从350mA变到100mA)。2. 温度系数通常是-2mV/度(-1.52.5mV/ C)也就是随着温度的升高，其伏安特性左移，假如所加的电压为恒定
6、，那么显然电流会增加。而LED本身的效率很低，温升很高，加电以后，假如散热不好，其温度很容易上升到八、九十 度以上。假定采用3.3V恒压源常温下工作在20mA，而温度升高到85度时，电 流就会增加到35-37mA，而其亮度并不增加。电流增加只会使它的温升更高，这 样就会增加光衰，降低寿命。3. 任何市电供电的系统里，都需要一个 AC/DC的开关电源。一般有两种供电方法，一种是在开关电源里加上恒流反馈控制电路，保证输出电流恒定。但是这种方法大多只能单路大电流输出，而且恒流的精度不高。还有一种是，前面采用恒压电源，后面加很多路恒流模块，这种方案灵活性很高，恒流精度也高。2、驱动电路结构及原理图示电
7、路为以反激式开关电源为基础设计的驱动 5个1W(350mA)大功率 LED的节能灯电路。开关电源电路的 AC输入电压为185265V，DC输出电压为 18V (3.5V*5=18V )，输出电流为350mA。IC1为ST公司生产的VIPer22A智能功 率开关电路芯片，内置PWM (工作频率约60kHz)控制电路和0.7A/730V的功率 MOSFET，在 20W以下中小功率开关电源电路中得到广泛应用。在一次侧，D1D4和C1构成桥式整流电容滤波电路，将220V交流电转换为 约400V直流电，R1为开机限流保护电阻，可以减少开机时的浪涌电流，并可做 保险丝用；U1 ( VIPer22A特性另述
8、)和开关变压器的初级绕组 N1 (32)构成 反激式开关电源电路，D5、R2、C3构成吸收回路，D6、C4为提供U1工作电源 （约15V/DC）的辅助电源电路。在二次侧，D7（FR107快恢复二极管或肖特基二极管）、C6、C7构成二次侧 整流滤波电路；R3、C5为吸收回路，R12和D8为假负载和输出指示；R5为电流 取样电阻与Q（9014）构成限流电路（0.35A）, C8为慢启动电容，防止启动时输 出电容的冲击电流产生误动作； R10、R11为电压取样电阻与U3（TL431为2.5V 基准电压电路）构成稳压电路；U2（PC817）为光耦芯片，现实电气隔离和反馈 控制，R7为其限流电阻，R6为
9、TL431的偏置电阻偏置电阻。变压器T在高频下工作，故体积比工频电源变压器小得多。NI为初级绕组，N2为次级绕组，N3为U1的Vcc偏置绕组。开关变压器T采用EI9磁芯，NI为135匝（电 感值为2mH，漏感为60卩H）, N2为23匝，N3为9匝。变压器次级侧中的R5（2Q） 为输出电流检测电阻，它与Q （9014）的电流比较器（CC）等组成电流控制回路， 电阻分压器R10、R11与TL431组成电压控制电路。输出电流和电压两个控制回路 经光耦器PC817反馈到U1的FB（ 3）脚，控制PWM占空比，当输出电流大于0.35A 或输出电压超过18V时，流过TL431和PC817 （1/2）脚的
10、电流（Ifb）将增加，则I - 623Vo of the MOSFET G|:Id = G|d Is = G|d （詈一 Ifb）式中：R2=230欧, Id MOSFET的工作电流将减小。3、Viper22A 特性1. VIPERX2A 描述VIPerX2A是一个单封装的产品，在同一颗芯片上整合了一个专用电流式 PW控制 器和一个高压功率场效应MOS晶体管。这种方法可以减少组件数量，降低系统成 本，简化电路板设计。因此，这个产品家族广泛用于离线开关式电源。此外，该 系列产品还采用微型的SMD封装（SO-8） o VIPer系列的待机功耗（小于1W符 合蓝天使和能源之星等节能标准。1.1. 一
11、般特性VIPerx2A产品采用ST的VIPower M0-3高压专利技术，M0-3高压技术利用一个P型掩埋层的方法，允许在同一颗芯片上集成低压系统（PWM和电流垂直流动的功率级，如图2所示。VIPerX2A产品有以下一般特性：-自动热关断-高压启动电流源输入交流电压范围85-265Vac输出1 12V输出2 5V/400mA（连接输出1的线性稳压器）纹波电流50mA连续电流输出电流（12V和5V）600mA峰值电流，小于5分钟待机功耗1W-防止输出短路导致击穿故障的打嗝（HICCUP模式-保证低负载条件下低功耗的突发模式而且，VIPower M0-3技术还可用于开发最小击穿电压为730V的功率
12、场效应MOS 晶体管。表2说明了该产品在不同的封装和工作条件下的功率处理能力。Driving circuitryPower 押Ehrwnowm T 曲*9 NMOSVOMOSn - ip*outputMO Tchnoictgy drawing图2:MO-3技术示意图表2:在不同的封装和工作条件下的功率处理能力宽压范围（85-265V）宽压范围（85-265V）单电源电压范围（180-265V）单电源电压范围（180-265V）SO-8DIPSO-8DIPVIPer12A5W8W8W13WVIPer22A7W12W12W20W12结构框图通过仔细观察图3的示意图，我们不难看出功率级是由含有一个快
13、速比较器 的电流式结构驱动的，驱动电流来自 NMOSsense和feed-back (FB)两个引脚。 比较器输出连接到消隐时间模块，以确保导通时间最短。只需一个外部振荡器， 即可将开关频率固定在60kHz,从而不再需要其它的外部组件。其它的内部模块 是内部电源稳压器和过热检测器， 前者在VDD引脚上能够支持45V,后者在170 C (典型值)时提供热关断功能。该产品的系统控制是一个电流模式结构，在这 个结构中，N-MOS感应电流和FB电流汇合在电阻器R2上。电阻R2上的电压取决 于这个电流值的大小，然后，这个电压值与一个内部固定的参考电压(0.23V)比较。比较器的输出用于驱动场效应MOS晶
14、体管，因此，开关频率取决于反馈电 流和Id电流值的大小。在这个应用中，反馈回路的实现方法是通过一个光耦合 器利用输出电压驱动这个FB引脚，以保证输入出输出之间的绝缘。监视 VDD电 压的是一个磁滞比较器，它能够管理启动电流生成器。事实上，只要VDD电压值 大于VDDON勺电压值，比较器就会导通，并给VDD电容器充电。一旦达到这个条 件，功率场效应MOS晶体管就立即开始开关操作。突发模式工作原理是跳过相同 的开关周期，以便在负载减弱时降低功耗。4、TL431 特性德州仪器公司(TI)生产的TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端 可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vr
15、ef (2.5V)到36V范围内的任何值(如图2)。该器件的典型动态阻抗为0.2Q，在很多应用 中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关 电源等等。左图是该器件的符号。3个引脚分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE） 和参考端（REF ）。TL431的具体功能可以用如图1的功能模块示意由图可以看到，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。由 运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近 VI（2.5V）时，三 极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管 图1的电流将从1到100mA变化。当然，该图绝不是 TL431的实 际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。但如果在设计、分析应用TL431的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的，本文的一 些分析也将基于此模块而展开。三、装调要求1、首先要提醒同学们注意的是安全问题！因为这是在交流市电（强电）条件下 的实验。特别注意要防止触电和有极性的元器件（比如二极管、电解电容、 变压器绕
