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基于SA7527 的LED照明驅動電源的研制

鉅大LARGE  |  點擊量:1141次  |  2020年06月18日  

LED具有高效、長壽命、低功耗、安全等優點,已被廣泛應用于城市景觀裝飾、交通車站和商業廣告等公眾設施.近年來,隨著單晶單管LED的輸出功率、發光效率以及高功率封裝技術的不斷發展,使LED作為一般照明具有廣泛的應用前景.


然而,LED的輸出光流明數和波長同pN結的溫度以及電流密切相關.常規的驅動電路,如電容降壓電路和開關穩壓電路,將引起LED的提前老化,不能有效滿足LED照明驅動的要求.因此,本文從分析LED燈珠的驅動特性出發,結合LED的驅動特性提出一種自適應照明驅動電路.針對100顆規格為φ10的高亮白光LED陣列(功率約為25W)進行了具體設計.實驗測試結果證明該驅動電路性能良好.


1LED驅動特性


LED作為半導體冷光光源,它同白熾燈、鹵素燈、汞燈具有明顯不同的驅動特性.


1.1電參數特性


電流-電壓特性是LED的基本物理特性,它同一般pN結類似,具有死區電壓.當輸出電壓超過死區電壓后,隨著電流的新增,pN結電壓變動不大.pN結標稱工作電流的大小取決于LED規格,如5-高亮白光LED,標稱值為20mA,10標稱值為80mA,而1W的LED標稱值電流為360mA.另外,pN結的壓降大小除了與pN結電流和溫度有關外,它還取決于制造材料特性.比如:當pN結溫度為25o,電流為20mA時,5-高亮白光pN結電壓約3.1V,而5-高亮黃光LED的pN結電壓約2V.


1.2光學特性


電流-光通量特性是LED作為照明設計的重要指標.LED輸出光通量的大小同pN結的電流大小有關,在規定電流范圍,輸出光通量同電流成正相關.不同的制造封裝廠家生產的相同規格的LED,它們的電流-光通量具有較大的差別.在20mA條件下對幾個不同廠家封裝的子彈頭5-高亮白光LED樣品的光通量進行測試,發現其光通量分別為4lm、3.54lm、3lm、2.5lm,有較大差別(說明:本測試數據以廠家供應的樣品為測試對象);另外,在電流不變的情況下,隨著工作時間的新增,光通量均有所降低.


1.3溫度特性


光譜特性是LED光源顯色指數和色溫的重要依據.實驗測試發現,在pN結電流不變條件下,隨著pN結溫度的升高,LED光源發出的波長將向長波方向移動.


根據LED驅動特性的分析可見:


(1)不同的LED所需的工作電壓、驅動電流不同;


(2)驅動電流不變的情況下,隨著工作時間的新增,光通量有所降低;


(3)驅動電流不變的情況下,隨著溫度的升高光通量降低.而LED作為一般照明必須保證其輸出光強對時間和溫度具有相對穩定性.因此,必須設計具有自適應功能的LED驅動電路,以供應適當的工作電壓、驅動電流,并使其對工作溫度等外部條件變化引起的出光特性變化作出自適應調整,以達到最佳的照明效果.


2具體LED驅動電路設計


結合LED驅動特性,以功率約為25W的辦公室照明燈組驅動電源的設計為實例.其中,使用100顆φ10-LED,采用LED陣列聯接形式,即:20顆燈珠串聯,然后5串并聯.


針對以上設計對象特性,本文提出了基于開關電源的LED自適應驅動方法.其總體框圖如圖1所示.


市電(50Hz,90V~264V)經過50Hz整流后,送入由高頻變壓器初級繞組和開關管組成的主回路,經高頻變壓、整流得到所需的輸出.利用sa7527可以設計出周邊電路簡潔、低浪涌電流、高功率因素、低成本的LED驅動電源.該電源重要包括以下幾個特性:(1)寬電壓輸入范圍;(2)恒流/恒壓特性;(3)自動光衰補償功能.


2.1sa7527主控芯片


該結構的主控制芯片采用8腳封裝的sa7527[5].sa7527是一塊功能強大的芯片,它除了通用的pWM控制芯片的功能外,還供應了內置R/C濾波器、啟動按時器、過電壓保護、零電流檢測、乘法器、內部帶隙基準以及特殊防擊穿電路等功能,內部框圖如圖2.


2.2高頻變壓器設計


根據開關電源高頻變壓器的基本理論:輸出功率25W,開關頻率取30kHz時,選定變壓器磁心為EI25磁心.這種結構的磁心與環形磁心相比具有線圈繞制方便、分布參數影響小、磁心窗口利用率高、散熱性好、系統絕緣可靠等優點;考慮到線包損耗與溫升,把電流密度定為4A/mm2,那么初級和次級用0.41線徑的漆包線繞制,反饋用0.19漆包線;計算輸入/輸出電壓比例關系確定初/次級匝數比為:120匝:40匝,另外再加8匝sa7527反饋繞組.


為了減小分布參數的影響,初級采用雙線并繞連接的結構,次級采用分段繞制,串聯相接的方式.在變壓器的絕緣方面,線圈絕緣選用抗電強度高、介質損耗低的復合纖維絕緣紙.


2.3功能單元設計


2.3.1寬電壓輸入


把輸入整流高壓取樣信號與輸出的檢測電壓分別輸入sa7527乘積運算的兩輸入端3腳和2腳(MUL端子和SO端子),運算結果作為pWM的控制信號;當輸入電壓降低時,乘積運算的結果減小,使pWM脈寬輸出增大,保證了在寬輸入范圍條件下輸出的穩定.


由于sa7527乘法器MUL端子的電壓輸入范圍為0~3.8V,為了保證輸入電壓的寬范圍,我們設正常工作電壓2V(近似中間值).因此,高壓分壓電阻比為:


(270V近似為正常220V交流輸入的全波整流濾波后的電壓值),由于MUL端的輸入電流最大為5A,若該取樣電路的功率為1/8W,那么R5+R1E900kΩ.故本設計取R1=2.7MΩ,R5=27kΩ.

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