大功率LED路灯驱动电源的设计
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作者: 李春艳
摘要：随着绿色照明工程的实施和发展，半导体材料在人们的生活中应用越来越广泛，半导体材料制作的LED逐渐进入了人们的视野。长久以来，组成LED综合性应用的重要部分就是驱动电路，因此怎样设计出科学合理的LED驱动电路是电气工程师们亟待解决的问题。本文通过对LED原理进行深入仔细的探析，总结出LED进行驱动设计时必须要注意的问题。可以看出LED驱动的设计必须要解决电流输出和电源转化率等多方面的问题。本文意在抛砖引玉，使同行间相互探讨达到共同提高的目的，进而为我国以后的大功率LED路灯驱动电源设计起到一定的参考作用。
关键词：大功率 LED路灯 驱动电源 设计
引 言
所谓“绿色照明”是指通过可行的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明产品，改善提高人们的生活品质。完整的“绿色照明”内涵包括高效、节能、安全、环保等四项指标，不可或缺。作为“绿色照明”之一的半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一，它具有高效、节能、安全、环保、寿命长、易维护等显著特点，被认为是最有可能进入普通照明领域的一种新型第四代“绿色”学源。2003年6月17日，我国正式启动“国家半导体照明工程”。随着“绿色照明”理念的提出和推广，以半导体材料制作的LED光源被逐渐的应用到了景观照明方面，与此同时大功率的LED路灯引起了人们的广泛关注。大功率LED路灯的工作原理是，通过直流低压对大功率LED组进行点亮，从而满足人们的照明需求。大功率LED路灯不仅具有亮度高和显色性好的优势，并且因为LED路灯的需要输入的电能是低压直流，所以对电能的要求少。随着太阳能光伏发电技术的不断成熟，由于大功率LED路灯对电能的要求少，使得太阳能LED路灯作为未来道路的照明方式成为可能。在目前的LED应用过程中，由于大功率LED所需要的必须是低压直流电源，所以普通的家用交流电无法满足大功率LED的要求，即使经过了普通降压和稳压的电源也必须通过重新改良过后才能用于为大功率LED驱动电能。本文通过对大功率LED的工作特性深入探析理解，并对目前常用的一些驱动电源进行简要分析，对高效的发挥出大功率LED的优势驱动电源必须具备的哪些条件提出了多个设计要素。
一、LED驱动电路研究的意义和价值
LED路灯是低得罟、大电流的驱动器件其发光的强度由流过LED的电流决定电流过强会引起LED的衰减电流过弱会（dian4 liu2 guo4 ruo4 hui4）影响LED的发光强度因此LED的驱动需要提供恒流电源以保证大功率LED使用的安全性同时达到理想的发光强度。用市电驱动大功率LED需要解决降压、隔离、PFC（功率因素校正）和恒流问题还需有比较高的转换效率有较小的体积能长时间工作易散热低成本抗电磁干扰和过温、过流、短路、开路保护等。本文设计的PFC开关电源性能良好、可靠、经济实惠且效率高在LED路灯使用过程中取得满意的效果。
LED由于节能环保、寿命长、光电效率高、启动时间按短等众多优点，成为了照明领域关注的焦点，近年来发展迅速。由于LED独特的电气特性使得LED驱动电路也面临更大的挑战，LED驱动电路关系到整个LED照明系统性能的可靠性。因此为防止LED的损坏，这些都要求所设计系统能够精准控制LED输出电流。目前采用的稳压驱动电路，存在稳流能力较差的缺点，从而导致LED寿命大为缩短。
当前，直流输入LED驱动电源已经发展了较长的一段时间，电路已比较成熟，而用于市电输入照明的LED驱动电路，很多采用交流输入电容降压及工频变压器降压，电源体积过大，输出的电流稳定性差，性能很低。目前针对市电输入的降压驱动电路是当前LED驱动市场的难点和热点。LED照明时一种绿色照明，其驱动电源的输出功率较小，在此情况下实现电源的高效率是另一大难点。同时，由于LED的使用寿命理论上长达10 万小时，这要求驱动电源很高的可靠性。
二、设计方案
HV9910 应用恒定频率峰值电流控制的脉宽调制（PWM） 方法，采用了一个小电感和一个外部开关来最小化LED驱动器的损耗。不同于传统的PWM控制方法，该驱动器使用了一个简单的开/ 关控制来调整LED的电流，因而简化了控制电路的设计。
2.1 电路的特点
1）无需电解电容及变压器，这样增加了电源的使用寿命。如果LED驱动器理有电解电容，那寿命主要取决于电解电容，电解电容的使用寿命有一个大家公认的近似计算法则：即温度每下降10 度使用寿命增加一倍。比如说标称105 度2000 小时的电解电容，在65 度下使用寿命大约是32000 小时。
2）高效率。这款灵活简单的LED驱动器IC效率超过93%，可减少相关元件的数量，从而降低了系统成本。HV9910 可将调整过的85V至265Vac 或8V至450Vdc 电压源转换为一个恒流源，从而为串连或并联的高亮LED提供电源。
3）电路简单，仅需一个芯片HV9910 的实现就能实现所有的功能，没有用到变压器，提高了功率的效率，减少了空间，增加了系统的可靠性。
2.2 电磁兼容，高PFC、过EMI
采用高PFC 功能电路设计的室外LED 路灯电源，内置完善的EMC电路和高效防雷电路，符合安规和电磁兼容的要求。再用电压环反馈，限压恒流，效率高，恒流准，范围宽，实现了宽输入，稳压恒流输出，避免了LED正向电压的改变而引起电流变动，同时恒定的电流使LED得亮度稳定。整机元件少，电路简单。
2.3 电源的PCB设计
本文在PCB 布局过程中，将易受干扰的元器件、输入与输出元件、具有较高的电位差的元器件或导线间距离尽可能加大，提高电路的抗干扰能力。
本文遵守以下原则进行PCB布线：
1）尽量避免相邻的线平行排列，平行走线的最大长度小于3cm，避免线间电容使电路发生反馈耦合和电磁振荡；
2）为避免高频回路对整个电路的影响，尽可能减小其面积，并使用较细的导线；
3）合理设计PCB导线的宽度，电源进线线宽1.5mm，开关电源输入线的相线与中线间距3.5mm，电源地与输出地间距、变压器的初级与次级间距均大于8mm；
三、可靠性设计
要在照明领域中大量使用大功率白光LED，只有保证大功率白光LED驱动电源安全可靠地工作，才能保证大功率白光LED的长寿命和发光亮度稳定。
3.1过压过流保护
在实际使用中，会出现负载短路或者空载的情况，会造成整个驱动电源的破坏，所以在驱动电源设计的时候，需要增加过压与过流保护。
3.2隔离保护
LED是低电压的产品，当驱动电源的开关损坏时，也不能有危及负载的高电压出现。所以要求电路的负载电路做到隔离保护。
3.3浪涌保护
在实际应用中，电网很不稳定，尤其是雷雨季节，会有浪涌电压存在，所以在驱动电源设计时，要考虑到整个产品的防雷，尽量避免在异常时造成永久性的破坏。
3.4散热设计在大功率LED应用中，LED能承受的电流与温度有一定的关系，所以在驱动电源设计时，需要考虑大功率白光LED的散热问题和驱动电源本身的散热问题。
四、本文小结
随着半导体照明产业化技术的发展，大功率LED的应用逐渐成熟，我们有理由相信在未来的社会发展中，大功率LED路灯会应用于建筑照明领域，由于“功率因数”的指标也逐渐受到LED行业的重视，所以在对大功率LED路灯的驱动电压进行设计时必须要考虑到该参数，以设计出更科学合理的大功率LED路灯驱动电源。
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