《電子技術(shù)應(yīng)用》
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大功率LED脈沖驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)的研究

2008-12-05
作者:王 峰1,,梁楚華1,,郭延生2,

  摘 要: 基于脈寬調(diào)制電路(PWM)原理,,研究設(shè)計(jì)大電流" title="大電流">大電流小占空比" title="占空比">占空比驅(qū)動(dòng)大功率LED直流脈沖電源,,實(shí)驗(yàn)測試比較了不同占空比脈沖方式下,,點(diǎn)亮LED的實(shí)際消耗功率、瞬態(tài)光亮強(qiáng)度,、溫升情況等,,探索通過脈沖電源驅(qū)動(dòng)提高LED發(fā)光效率" title="發(fā)光效率">發(fā)光效率的實(shí)現(xiàn)方案,并取得初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果,。
  關(guān)鍵詞: PWM,;脈沖電流驅(qū)動(dòng);大功率LED,;光效,;電源效率

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  人類照明史的發(fā)展進(jìn)入21世紀(jì)后,傳統(tǒng)的白熾燈,、熒光燈照明正逐漸被新型的高效,、節(jié)能、環(huán)保,、長壽命及高可靠性的半導(dǎo)體固體照明所取代[1],。LED(Light-Emitting Diode)被全球公認(rèn)為新一代的環(huán)保型高科技新光源,更被譽(yù)為是愛迪生發(fā)明電燈后照明史上的又一次真正意義上的革命,。LED擁有廣泛的應(yīng)用前景,目前LED正進(jìn)入液晶顯示器及液晶電視等大尺寸LCD面板背光源,、車燈及通用照明應(yīng)用的關(guān)鍵發(fā)展時(shí)期。尤其在LED路燈,、庭院燈等方面已先行打開LED通用照明領(lǐng)域的市場[2],。
  但是在對(duì)大功率LED燈具的測試中發(fā)現(xiàn)(數(shù)據(jù)見表1),,LED燈具整體節(jié)能情況并不理想,主要原因有兩個(gè):①LED芯片本身隨著導(dǎo)通電流的加大,,發(fā)光效率(目前電光轉(zhuǎn)化比為10%~20%,,理論值300Lm/W)急劇下降,電熱轉(zhuǎn)化比不斷升高[3],。從芯片耐溫應(yīng)小于125℃(開始急劇光衰)[3]及結(jié)溫計(jì)算(計(jì)算公式見參考文獻(xiàn)[3])中可以看出:物理結(jié)構(gòu)一定后,,LED芯片溫度隨輸入功率的增大而升高。②恒流驅(qū)動(dòng)電源(AC-DC)一般的轉(zhuǎn)化效率只有50%多一點(diǎn),,好的可達(dá)到80%,;DC-DC的轉(zhuǎn)化相對(duì)高一些。表1是利用直徑1m,、0.3m詩貝倫涂層積分球及PMS-50紫外-可見-近紅外光譜分析系統(tǒng)測量的一些實(shí)際數(shù)據(jù),。

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1 脈沖電流驅(qū)動(dòng)大功率LED電源電路設(shè)計(jì)
  本文擬研究設(shè)計(jì)大電流窄脈沖直流驅(qū)動(dòng)電源,通過設(shè)置脈寬寬度調(diào)節(jié)PWM[4](Pulse Wideth Modulate)基準(zhǔn)電流或電壓幾倍于常規(guī)工作值的間隔通斷方式,,獲得LED更高的瞬態(tài)光強(qiáng)度,,縮短單位時(shí)間內(nèi)的通電時(shí)間以實(shí)現(xiàn)LED芯片無功率散熱;探索提高LED發(fā)光效率在電源驅(qū)動(dòng)方向上的實(shí)現(xiàn)方案,。
  利用LED的瞬態(tài)響應(yīng)特性(頻繁開關(guān)響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí))及人眼的感光滯后效應(yīng)(如>70Hz,,不會(huì)覺察閃爍)[3],設(shè)計(jì)頻率為70Hz,、占空比為35%,、電流脈沖峰值為3A、平均電流為1A的脈沖電路,;設(shè)置光敏傳感器,、溫度傳感器并經(jīng)轉(zhuǎn)化電路調(diào)節(jié)控制PWM基準(zhǔn)電壓的設(shè)定,從而實(shí)現(xiàn)占空比主動(dòng)微調(diào),,平均電流變化,,進(jìn)而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)光強(qiáng)的目的。為實(shí)現(xiàn)上述要求,,實(shí)驗(yàn)原理電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1,。

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2 脈沖驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)
  為了觀察不同占空比開關(guān)點(diǎn)亮LED時(shí),LED的光電參數(shù)變化,,設(shè)計(jì)圖2所示的實(shí)驗(yàn)電路,。采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生70Hz、不同占空比(10%~95%),、峰值為5V的脈沖信號(hào),,控制功率開關(guān)管通斷,LED(采用小功率綠管)由WY精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源提供穩(wěn)壓直流供電,,利用感光二極管(固定受光面與LED發(fā)光面的距離)通過測量串聯(lián)在感光二極管電路中的電阻分壓測定LED的瞬態(tài)光強(qiáng),;由于電流表及電壓表測量值為線性平均值不能準(zhǔn)確測得70Hz下脈沖峰值電流,,頻率對(duì)電路中瞬態(tài)峰值電流不會(huì)造成太大影響(波動(dòng)在5%以內(nèi)),所以采集低頻(0.2Hz)下精密電源的電流值及電壓值,。由于是脈沖間斷接通電路點(diǎn)亮LED,,單位時(shí)間內(nèi)電路只有高脈寬時(shí)間段導(dǎo)通,所以采用電壓,、電流再和占空比加權(quán)可得實(shí)際電功率為:
?P=U×I×Q    (1)

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  其中,,P為消耗功率,U為加載" title="加載">加載電壓,,I為加載電流,Q為占空比,。
  采用精確到0.1℃數(shù)字溫度計(jì),,其熱電偶緊貼LED管腳固定,在狀態(tài)平衡5分鐘后記錄溫度值,;采用采樣頻率2.5Hz,、精度0.1Lux的照度計(jì)。同樣由于照度計(jì)測量時(shí)取采樣周期內(nèi)平均值,,為了準(zhǔn)確獲得一個(gè)脈沖周期內(nèi)點(diǎn)亮LED的最大照度,,應(yīng)測量低頻(0.2Hz)下的照度值(所有器件均放入積分球內(nèi)封閉測量)。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
  圖3,、圖5,、圖6分別顯示了在占空比為11%、36%,、65%,、90%" title="90%">90%下,照度與計(jì)算功率的關(guān)系,,溫度隨照度的變化關(guān)系及照度和光電流(光電二極管中的感光電流)的關(guān)系,。采用二次曲線擬合,可以發(fā)現(xiàn)等功率下小占空比的照度值更高,,溫度值降低,,不同占空比下照度與光電流變化趨于直線。

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3.1 不同占空比下功率與照度的關(guān)系
  圖3是不同占空比下功率與照度的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果,。自上而下四條曲線分別是占空比為11%,、36%、65%,、90%時(shí)功率(橫坐標(biāo))與照度(縱坐標(biāo))的對(duì)應(yīng)關(guān)系,。由圖可見,隨著LED所加載功率的增加,,其光強(qiáng)同時(shí)提高,,并隨著功率的進(jìn)一步增加,,逐漸趨于飽和。這與恒流驅(qū)動(dòng)下LED光強(qiáng)衰減曲線特性相吻合,,見參考文獻(xiàn)[3],。通常的解釋是:LED器件在小電流下溫度效應(yīng)不明顯,光強(qiáng)隨電流增加而線性增加,;在大電流情況下,,由于明顯的熱效應(yīng),致使LED發(fā)光效率降低,,光強(qiáng)逐漸趨于飽和,。比較圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在10mW功率以下,,不同占空比下照度隨功率的增加有較好的線性關(guān)系,;隨著功率的進(jìn)一步增加,不同占空比下的照度趨于逐漸飽和,,但是出現(xiàn)了明顯的差別,。大占空比下的照度變化比小占空比下的照度變化更早趨于飽和。為進(jìn)一步說明這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,,提取圖6的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),,分析其照度與不同占空比的關(guān)系,如圖4所示,。

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  圖4是LED所加載功率自下而上分別為10mW,、15mW、20mW,、27mW時(shí),,照度與占空比的關(guān)系。在所有情況下,,照度隨占空比的增加而減少,,照度與占空比成反比變化趨勢。而隨加載功率的增加,,這一現(xiàn)象更為明顯,。比較10mW和27mW兩條曲線的斜率,其變化率接近3倍,。顯然,,小占空比對(duì)于保持LED發(fā)光狀況有正面的作用,在大功率情況下,,這一作用將更為明顯,。說明小占空比脈沖驅(qū)動(dòng)在大功率LED上應(yīng)用具有實(shí)際意義。小占空比下可以為LED加載更大的電流并得到更大的照度,,利于在驅(qū)動(dòng)電源方案上實(shí)現(xiàn)大功率LED獲得更高光亮度,。
3.2 不同占空比下溫度與照度的關(guān)系
  為了觀測不同占空比下照度與LED器件溫度的變化關(guān)系,,本文采用精確到0.1℃的數(shù)字溫度計(jì),其熱電偶緊貼LED管腳固定,,在狀態(tài)平衡5分鐘后記錄溫度值,。圖5是不同占空比下LED溫度與照度的變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果,自上而下四條曲線分別是占空比為90%,、65%,、36%、11%時(shí),,照度(橫坐標(biāo))與器件溫度(縱坐標(biāo))的對(duì)應(yīng)關(guān)系,。圖中可見隨著發(fā)光照度的增加,LED器件溫度成上升趨勢,,這與直流驅(qū)動(dòng)下LED溫度效應(yīng)曲線變化相一致,,見參考文獻(xiàn)[3]。但是相同功率下,,小占空比驅(qū)動(dòng)的LED溫升幅度較小,,隨著功率的加大,,變化趨勢更為顯著,。如照度為100lux時(shí),90%占空比溫升是11%下的約1.5倍,,這與圖4中論證的LED熱效應(yīng)相吻合,。另外,同樣看到低于10mW(40lux)功率范圍內(nèi),,變化曲線趨于一致,,溫升幅度變化區(qū)別不大,同樣也印證了前面3.1節(jié)中功率與照度趨勢線分析,,小占空比脈沖驅(qū)動(dòng)有助于改善大功率LED發(fā)光狀況,,其原因是小占空比對(duì)LED熱效應(yīng)有較明顯的影響。同樣說明小占空比下可以為LED加載更大的電流而得到更大的照度,,利于在驅(qū)動(dòng)電源上實(shí)現(xiàn)大功率LED獲得更高光亮度的實(shí)現(xiàn)方案,。

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3.3 不同占空比下光電流與照度關(guān)系比較
  為了更為直接地評(píng)估LED脈沖下的光強(qiáng)變化,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)利用感光二級(jí)管(固定受光面和LED發(fā)光面的距離)通過測量串聯(lián)在感光二級(jí)管電路中的電阻分壓測定LED的瞬態(tài)光強(qiáng),。圖6為實(shí)驗(yàn)測量的光電流與照度間對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù),。曲線顯示不同占空比下光電流與照度的變化趨于一致,這組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了用光電流的測量來代替照度計(jì)測量照度光強(qiáng)的可行性,。為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)測量70Hz下LED照度提供了條件,。

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  通過大電流窄脈沖驅(qū)動(dòng)小功率LED的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,其發(fā)光指標(biāo)得到有效改善,,溫升幅度降低,,光電流與照度成直線關(guān)系(偏差10%以內(nèi)),,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大電流窄脈沖驅(qū)動(dòng)大功率LED方案提供了必要準(zhǔn)備;對(duì)其光通量的測量,、光譜的測量,,脈沖峰值電流、電壓的測量(70Hz)等進(jìn)行了有意義的探索,。后續(xù)的工作需要進(jìn)一步探討脈沖點(diǎn)亮LED的光效評(píng)估方法及脈沖方式對(duì)人眼視覺感光習(xí)慣的影響,。


參考文獻(xiàn)
[1] 程江華,謝劍斌,,丁文霞,,等.白光LED電源驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).電子技術(shù),2005,,(8):51-52.

[2] 國家半島體照明產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟.中國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展年鑒(2006).科學(xué)出版社,,2006.
[3] 周志敏,周紀(jì)海,,紀(jì)愛華,,等.LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京:人民郵電出版社,2006,,5-30,,82-90.
[4] 沈慧.大功率照明LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)[D].杭州:浙江大學(xué),2006,,38-52.

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