大功率区域照明LED驱动电源方案
摘要：从大功率led 区域照明驱动的原理、结构、控制方法研究，提出了pwm 整流电路的控制方法和slm2842 恒流驱动的架构，适合led 路灯等大功率区域照明应用。
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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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
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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
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