恒流式LED电源的优化设计与应用[2]

　　2.3 APFC 电路的设计

　　考虑到将交流电直接整流滤波后给开关电源供电时，由于PWM 直流- 直流变换将使交流电网侧功率因数恶化，对交流电网不利。造成常规开关电源功率因数低的根源是整流电路后的滤波电容使输入电流变为尖脉冲。如果整流电路后面不加滤波电路，仅为阻性负载时，输入电流即为正弦波，并与电源电压同相位，功率因数为1。功率因数校正技术的基本思想是将整流器与滤波电容隔开，使整流电路由容性负载变为阻性负载[4]。

　　人们经过努力研制了PFC 电路，该种电路将交流电压经全波整流和滤波得到的直流电压进行直流 直流变换，并使输入电流平均值自动跟随全波整流的直流基准电流，且保持输出电压稳定，从而实现对PWM 直流变换器稳压输出和接近单位输入功率因数。目前的PFC 有两种，分别为被动式PFC(也称无源PFC) 和主动式PFC (也称有源式PFC)。被动式PFC 一般采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数;被动式PFC 包括静音式被动PFC 和非静音式被动PFC。被动式PFC 的功率因数只能达到0.7～0.8，它一般在高压滤波电容附近。而主动式PFC，也就是有源功率因素校正电路则由电感电容及电子元器件组成，体积小、通过专用元件或集成电路去调整电流的波形，对电流与电压间的相位差进行补偿。一般置于桥式整流器与滤波电容之间，实际上是一种DC-DC 变换器，主要有升压、降压、升压- 降压和回扫型4 种。其中升压型APFC 变换器在一定输出功率下可减小输出电流，因而可以减小输出滤波电容的容值和体积，同时电路的功率因素高、THD(总电流谐波畸变，Total Harmonic Distortion) 小、效率高、应用最为广泛。而APFC 可以达到较高的功率因数，通常可达0.98 以上，但成本也相对较高。此外，APFC 还可用作辅助电源，因此在使用APFC 电路中，往往不需要待机变压器，而且APFC输出直流电压的纹波很小，这种电源不必采用很大容量的滤波电容。本设计采用ST 公司推出的低成本经济型的有源功率因数校正控制器件L6562A，见图2[5]。

　　2.4 散热器的设计

　　LED 是半导体发光，除部分功率转化为光能外，绝大部分功率都转化为热能。商家为了灯具产品结构的整体优美，往往把电源与LED 灯体结构紧密设计在一起，LED 的发热与电源的发热叠加，这样电源和LED 光源都处在恶劣的工作环境中，当工作环境的温度超过一定的温度时，电源及LED 的寿命会大打折扣。

　　本设计的LED 驱动电源电路不与散热系统紧贴在一起。采取了一些散热措施：①LED 灯采用铝基板散热;②功率器件均匀排布，尽可能避免将LED驱动电路与散热部分贴近;③抑制封装至印刷电路基板的热阻抗;④提高LED 芯片的散热顺畅性以降低热阻抗。

　　特别要注意的是，为使开关电源能正常工作，给集成芯片(L6562A) 装上铝板作为散热器，可以均摊热量，增大有效的散热面积，避免因散热不良致使管芯温度超过最高结温，使开关电源无法正常工作，甚至损坏芯片[6]。散热器通过和芯片表面的紧密接触使芯片的热量传导到散热器，散热器通常是一块带有很多叶片的热的良导体，它的充分扩展的表面使热的辐射大大增加，同时流通的空气也能带走更大的热能。这种散热设计结构简单、成本低廉，容易自制，但是不宜用于驱动大功率LED 的开关电源。

　　3 LED 电源的应用

　　在传统光源中，白炽灯、荧光灯、霓虹灯已经随处可见，人们对它们的存在可能已经熟视无睹。在广告行业当中，霓虹灯的应用已是非常普及，而LED 却应用较少。实际上，LED 作为新型的电光源，在制作大型发光立体字和发光标识中有着明显的优势。霓虹灯广告一般控制变压器的输入端，以此进行扫描方式的变化，可以实现扫描或渐变的同步。另外，由于霓虹灯变压器输出端是输出几kV的高压，所以控制输出端很困难。而LED 广告一般控制开关电源的输出端，由于开关电源内部有大的电解电容，如果控制输出端时，当输入端断开时，电源内部的电解电容有一个充放电的过程，它能维持输出端LED 继续亮一段时间，这样在整个广告扫描时就会出现不同步的情况。再之输出电压低，控制输出端成本低，可靠性高。

　　在电源工作方式的选择上，不同的应用都有相对理想的选择。比如用于广告工程方面，灯光以渐变、扫描、全彩等为主，对变化亮度的均匀性要求不高，选择LED 电源以恒压式电源为主，不同支路上的LED 灯互相不会产生影响，易于控制，功率可以做到很大;而用于城市景观方面，多数以常亮的方式显示，要求亮度均匀，选择LED 电源以恒流式电源为主，串联在一条支路上的LED 灯的亮度均匀，工作稳定性很高，即通过LED 灯的电流不会因为LED 灯发热造成电流变化。

　　4 设计LED 电源中面临的主要挑战

　　尽管国内外市场LED 产品处于如火如荼的发展态势，但是由于LED 照明是新兴的产业，目前还没大面积普及和民用化，主要是一些工程试点应用，同时没有可以依照的行业标准，每一家设计的灯具所需求的电源在结构、电气规格上都不一样。LED驱动电源不可避免的在各方面面临诸多挑战：①散热欠佳会造成LED 光色的改变，使发光效率和寿命明显衰减，尤其是关键器件如电容在高温下的寿命直接影响到电源的寿命[7];②LED 驱动器应挑战更高的转换效率，尤其是在驱动大功率LED 时更是如此，因为所有未作为光输出的功率都作为热量耗散，电源转换效率的过低，影响了LED 节能效果的发挥;③以大调光比高效率地对LED 调光，同时能够保证在高和低亮度时颜色特性恒定;④降低成本，目前在功率较小(1～5 W) 的应用场合，恒流驱动电源成本所占的比重已经接近1/3，已经接近了光源的成本，一定程度上影响了市场推广。

　　所以，将LED 电源标准化从而提高通用性，降低成本，以批量化生产提高质量是大家努力实现的方向和目标。

　　5 结语

　　多彩的世界需要LED 来改变，选择合适、高效的LED 专用电源，才能真正展露出LED 光源高效能的特性。本设计通过优化电路结构和采用电压环反馈，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，提高了电源工作效率，缩小了电源体积，且散热佳，性价比高。更重要的是实现了LED 寿命的最大化，同时符合LED 电源顺应小型电子设备“小、轻、薄”的发展趋势，有利于促进LED 电源的发展，可供生产商参考。