电容降压式LED景观照明灯驱动方案

0 引言

　　在国内外倡导绿色环保及节能的背景下，伴随着近年来LED光效、寿命及光色上的明显进步，半导体发光二极管（LED）因具有节能、寿命长、驱动简单、灯色种类多等优点已广泛应用于景观照明、数字化交通信息显示、疏导标识、室外全彩显示屏及照度要求不高的室内外照明等领域。

　　针对LED在城市亮化中的应用现状，笔者利用电力电子整流与恒流技术设计制作了一款LED景观照明灯，它具有成本低、工作可靠、寿命长、控制简单等特点，并可根据实际需求进行功能扩展。

　　1 小功率LED驱动方案

　　目前小功率LED产品广泛采用两种驱动电路形式，即恒流驱动和稳压驱动。前者电路输出的电流是恒定的，输出电压随负载的变化而变化；后者输出电压是固定的，输出电流随负载（LED数目）的增减而变化。根据电源输入与输出电路形式也可分为隔离驱动和非隔离驱动，前者以开关电源为代表，而后者主要包括电容降压式和恒流/恒压IC.其相关性能、功耗、成本以及主要应用如表1所示。

　　表1小功率LED驱动方案比较

　　2 LED景观照明灯电路设计

　　LED景观照明灯就是实现RGBLED的交替点亮以及渐变控制，电路设计如图1所示。该电路采用3181集成芯片作为控制器，其相关功能及引脚参看文献［4］，共控制36只小功率LED，采用RGB三基色LED各12只，驱动方案采用电容降压式。

　　其中，C1、C5为并联的两个相同的电容，起降压及限流作用；由4个lN4007组成的整流桥对输入交流电压进行整流；滤波电容C4用于滤除整流输出电压中的交流成分，使电压更为平滑；肖特基二极管VD5稳定a点的电压；VD6为控制IC提供稳定的电压；R3、R4为限流电阻；R2、C2为控制IC提供交流输入频率，为集成IC提供交流采样频率；三极管VT1、VT2、VT3用于控制LED支路的电流变化。

　　图1 LED景观照明灯电路

　　2.1 降压电容值的选择

　　通过降压电容C1、C5（后文中用C表示）向负载提供的电流I0，实际上就是流过充放电电流lc.当负载电流，I0小于c的充放电电流时，多的电流就会流过滤波电容C4及其他支路。

　　式中Ui--输入交流电压有效值。

　　f--AC频率。

　　对于负载所消耗的60 mA的电流I0至少需要降压电容值为0.87uF，因图l中增加高压稳压二极管降压，而二极管工作时也需要消耗较大的电流，另外为保证电容C可靠工作，其耐压选择应大于2倍的电源电压，因此应选择两个684/630 V电容并联工作。

　　2.2整流及滤波电路

　　根据文献［7］，整流桥上单个二极管所承受的电压最大值URM= √2Ui（Ui为输入电压的有效值）=318.4 V，因此选用常用的整流二极管lN4007（URM=l000 V，IF=1 A）。

　　为使输出端得到平滑的负载电压，一般取RLC≥（3~5）T/2，其中RL为负载阻抗，T为输入信号周期（0.02 s），可得C≥24.38 uF.

　　原则上，电容值取的越大，输出电压越平滑，其纹波值越小。但是随着电容容量的增大，一般其体积也随之增大，考虑到该电路板面积，实取47 uF/160 V的电解电容。

　　2.3系统电源电路设计

　　因电路中需要两组电压，一组用于驱动三串LED，一组为集成IC提供工作电源（5 V）。VD5的稳压值直接与所驱动单串LED的个数有关，前文中要求驱动单串12只LED，并在此假定红光LED正向压降的Uf为2 V，而绿光、蓝光为3.2 V进行计算。图l中a点电压Ua为ΣU+UR，其中ΣU为38.4 V，UR为平衡电阻上的压降。因此，稳压二极管VD5的稳压值应大于38.4 V.考虑到电压裕量及元件获得的成本和方便性，VD5选用50 V/l W的高压稳压二极管，VD6选用5.1 V/0.5 W稳压二极管。并根据文献［1］选择可限流电阻R3为62Ω/2 W，见、R5分别为4.7 kΩ和22 kΩ。

　　为使各色LED亮度一致，需要在各个LED串上串接平衡电阻，其中与蓝、绿LED串接的平衡电阻R14、R12值为UR/I，（其中UR=11.6V;I为流过支路LED的电流，取为20 mA），则R=580 Ω，实取平衡电阻R14=R12=680Ω，同理取R9=1.4 kΩ。
2.4系统电路成本估算

　　为进一步阐明该电路成本上的优势，笔者依据元件供应商的价格报表，将电路中主要元件类型及价格列于表2.

　　表2 LED景观灯驱动电路成本估算。

　　从表2中可见，制作整个电源所需成本约5.3元；而如果采用其他方案，仅小功率开关电源价格为7~15元。

　　3 试验与测试

　　以LED地埋灯（一种景观照明灯饰）为例进行实验，将上述电路焊接在单面的万用焊接板上进行测试。连接全部电路，36颗LED灯珠插装焊接在直径112 mm的圆盘灯板上，驱动电路贴底安装在地埋灯底端，并在所有缝隙处填上环氧灌封胶（防水、防潮）。接通AC电源，各色LED串按事先设定进行颜色的交替变化，盖上塑料封盖，可看到由RGB三基色合成的七彩颜色变化，基本满足设计需求。

　　采用湖州升谱SPL2000电光源光色电综合分析系统对电路的相关参数进行了测试，结果如下：

　　输入电压UAC为220 V时，总电流为53 mA，电路实耗功率为1.4 w，功率因数为0.385.

　　为进一步验证电路工作可靠性，笔者对该产品做了l000h的电老化试验，结果表明该电路能稳定、可靠地为LED提供驱动。

　　4 结语

　　目前，半导体发光二极管（LED）虽然在常规照明技术上有许多问题亟待解决，如亮度不高，散热问题凸显，白光寿命较低等，但在对亮度要求不高的景观照明中已经获得广泛应用。

　　本文设计制作了城市亮化中用于景观照明的LED驱动电路，经长期的电老化试验证实，该电路结构简单、工作可靠、成本低廉，特别适合于目前LED灯珠占据总成本较大比重的背景下的低端市场应用。也可根据实际需求调整每串LED灯珠数，适用性较广。每串LED灯珠数可以通过改变高压稳压管稳压值在一定范围内任意调整，也可以不用稳压管稳压，而采用功率电阻代替法使LED灯串与集成电路不共地，但同时需在PCB板设计前期考虑实物电路的灵活性和可扩展性。