效率优化的单段线性LED驱动电路设计

发布时间：2020-03-18 03:49

【摘要】：随着节能减排的提倡以及绿色照明趋势的发展,LED照明因其所具有的低能耗,长寿命以及无污染的优点,正逐渐成为下一代主流的照明光源。由理论研究基础可知,LED照明系统的效率不仅与发光材料有关,同时与驱动电路有关。LED驱动电路实现电网交流电转换,为LED光源供电,其性能好坏直接影响LED应用产品的功能实现与性能指标。目前,单段线性LED驱动电源因其结构简单,成本低廉的特点,可广泛适用于中小功率应用。然而,单段线性LED驱动电源存在系统效率低的固有不足,如何实现单段线性LED驱动电源的效率优化具有现实的研究意义。本文针对单段线性LED驱动电源,分析其系统效率不足的原因,考虑电流控制方案实现系统效率优化。分析在凸形,平形以及凹形三种不同形状的LED电流下,其各自所对应的系统效率大小关系。通过对三种不同形状电流的数学建模以及理论计算后,得出在凹形电流控制下,单段线性LED驱动电源可实现相对较高的系统效率。与此同时,凹形电流控制下,其功率因数相对较低。因而电流形状控制实现效率优化的方案实际上是以牺牲功率因数为代价,是系统效率与功率因数的折衷。在此基础上,为获取最佳的效率优化效果,进一步分析凹形电流参数变化对效率优化效果的影响。经分析后可知,随着凹形电流凹曲程度的不断增大,其效率优化效果不断提高,其功率因数不断衰减。为获取最佳的效率优化效果,凹形电流的凹曲程度应取最大值。与此同时,伴随着凹形电流凹曲程度的不断增大,凹形电流导通点与关断点电流不断增大,凹形电流中间点电流不断减小,电流变化幅度不断增大。为避免电流变化所可能引起的频闪问题,对凹形电流控制方案进一步优化,引入切顶形电流控制方案,即将LED导通点与关断点附近的电流截断,将LED导通时间划分为三个区间,在LED导通点与关断点附近的工作区间内为平形电流,在中间的工作区间内为凹形电流。其具体的实现的方法是通过参考电压与LED负端电压的相对大小来控制电流工作区间的划分。所采用的切顶形电流控制方案可视为凹形电流实现效率优化与平形电流实现峰值电流优化的折衷。其效率优化效果随凹形电流工作区间的逐渐增大而不断提高,导通点与关断点附近的峰值电流随平形电流工作区间的逐渐增大而不断减小。最后,本文设计的控制芯片采用TSMC 0.35μm 5V/650V CMOS/LDMOS工艺,并通过系统仿真,版图设计并流片,在此基础上通过输出规格为90V/30mA的电路原型进行测试验证。测试结果表明:当输入电压的范围为99~121Vac时,功率因数大于0.7,系统的效率在70%以上,相较于同等条件下的平形电流,本文所设计的切顶形电流控制可实现5%的系统效率优化。因此,本文设计的控制芯片在实现单段线性LED驱动电源效率优化中具有良好的应用前景。
【图文】：

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驱动电源作为目前普遍应用的 LED 驱动电源中的一种，因其在结构简单，外率应用中得到广泛应用。本章中首先介绍 LED 驱动电源效率优化的背景与意驱动电源效率优化的国内外研究现状。最后对本文的设计指标、研究内容以景及意义能源危机与温室效应等问题的日渐严重，绿色照明与节能环保逐渐成为社会发能源的高效利用。自第二次工业革命后，电力逐渐成为最常用，最便捷的能源多种形式利用电能，如照明，电动机等。在这其中，用于照明的电能消耗占据，，照明电能消耗量达到 5670 亿度，占全球电能总消耗量的 19%。最近几年，及电网工程建设的推进，照明电能消耗量占全球电能总消耗量的比重正逐年增 25%[1]。以美国为例，自 19 世纪 50 年代起，美国年度照明能耗逐年大幅上高照明产品的系统效率将会成为节能减排的重要实现方式，具有十分重要的意

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图 1.2 中国 LED 照明市场规模柱状图的效率不仅与光源(发光材料)有关，而且与驱动电路有关[6]。LED 驱动电路实光源供电，其性能好坏直接影响 LED 应用产品的功能实现与性能指标。事实可有效提高照明系统效率。研究现状 LED 驱动电源的广泛应用，在绿色照明，节能环保的背景下，针对线性 LED众多学者的研究对象。诸多专家学者也开展了许多关于如何实现线性 LED 驱满足降低功耗，提高效率的应用需求。文献[7]中提出低压差线性 LED 驱动方案，如图 1.3 所示。在该驱动方案中利的压降，从而降低额外功耗，从而提高系统效率。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM923.34;TN402

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