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【摘 要】当前，LED路灯在城市道路照明系统中得到了广泛的应用，但是其驱动电源仍存在着效率低、寿命短等问题，严重制约了LED路灯照明的发展。本文对LED路灯照明驱动电源的选择与应用展开了研究，介绍了LED路灯照明驱动电源的技术要求，并对其驱动电源拓扑选择进行了分析，为有关需要提供参考借鉴。
【关键词】LED路灯；驱动电源；选择；应用
0 引言
当前，LED作为一种新型的半导体照明器件，以其节能、环保、寿命长、高效、可靠性高等优点，逐渐取代以传统高压钠灯为主的路灯，在城市道路照明系统中得到广泛的应用。但是，由于LED路灯对驱动电源的性能及可靠性要求较高，LED路灯照明驱动电源已成为了制约LED路灯照明装置进一步推广应用的瓶颈。因此，选择高效率、寿命长、可靠性高的LED路灯照明驱动电源具有十分重要的意义。
1 LED工作原理概述
LED即发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。其发光原理是在PN结处有发光层，当有电流流入时，电子和空穴结合释放出光辐射。
(1)伏安特性。由图1可知，LED伏安特性曲线类似指数形式，当正向电压Vf超过阈值后，其微小波动就会引起正向电流If的急剧波动。
(2)光特性。由图2可知，LED的光特性曲线被描述为电流IF的函数。正向电流越大，LED的光通量越大，但却不完全成正比。正向电流过弱会影响LED的发光强度，电流过强会影响LED的可靠性和寿命。
(3)温度特性。由图3可知，随着温度的变化，LED正向压降改变，正向电流的大小也跟着变化，环境温度一旦超过阈值，LED的容许正向电流降幅就比较大，在此情况下如果还施加大电流，将造成LED老化。
所以，在LED工作中，为确保其工作状态的安全、稳定，要在各种不同状态下均输入一个稳定的工作电流，同时应保证LED的驱动电流必须低于LED容许额定值，但当环境温度升高时，所允许的额定电流会降低。为保证大功率LED达到理想的发光强度和安全性，大功率LED照明采用恒流驱动最合理。
2 LED路灯照明驱动电源技术要求
LED路灯工作电压一般较小，为(3.4±0.2)V，单颗LED芯片功率工作电流为200～1400mA，并且具有单向性的特点，因而在实际使用中需要通过驱动电源将220V市电转化为LED正常工作的特定电压和电流。在选择LED路灯驱动电源时，主要考虑以下几点:
(1)输出恒流性好。根据LED的电学特性，其驱动电源必须保证通过LED的电流在任何状态下保持恒流，即控制LED纹波电流在任何条件下保持在平均电流的20%之内。
(2)驱动电源需要具有较高的功率因数(PF)。目前驱动电源都有功率因数指标要求，可以通过采取功率因数校正(PFC)技术来提高驱动电源的功率因数。
(3)驱动电源需要高效率。提高LED驱动电源的效率，一方面能提高整灯的光效，达到节能的目的，另一方面能通过减少能耗，降低温度，有效延长驱动电源的寿命。
(4)驱动电源需要具有抑制电磁干扰(EMI)的能力。在驱动电源的输入端需要加入EMI滤波器，滤除电网的干扰，同时防止驱动电源干扰电网。
(5)驱动电源需要提供保护。驱动电源保护包括电压、过流、短路和过温保护。LED的理论寿命高达5万h，但LED驱动电源的实际寿命往往少于1万h，所以驱动电源需选择合适的拓扑结构和电子元器件，同时提供合适的保护电路。
(6)驱动电源需要提供调光功能。LED可在0～100%范围之间进行调光，目前可以直接通过驱动电源进行调光，以保证LED的寿命，同时进一步实现节能环保。
综上所述，在设计LED路灯驱动电源时，不仅应考虑可靠性和安全性，同时要满足功率因数、效率、EMI、寿命等各方面的要求，除此之外，研究设计出低成本、标准化的LED驱动电源，也是LED推广必须解决的关键问题。
3 大功率LED驱动电源拓扑
驱动电源电路应具有结构简单、效率高、经济、体积小的特点，其输出参数(电流、电压等)应与被驱动的LED的技术参数相适应，并具有恒流控制和限制电压功能。在短路、断路等故障状态时，可以对驱动电源电路、LED有保护作用；同时，驱动电路工作时不会干扰其他元件的正常工作。下面简要介绍市场上常用的LED驱动电路。
(1)电阻限流驱动。如图4所示，电阻限流驱动是最简单的一种驱动方法，这个应用方案通过限流电阻就可以控制LED的光强，但由于限流电阻需要消耗大量的能量，因而效率很低，另外调节精度有限，很小的电压变化就会导致LED亮度的变化。所以这种方案只适用于低成本、对发光效率要求不高的情况，一般用于小功率LED指示灯，而对大功率LED来说，使用效果较差，不节能。
(2)线性控制驱动。如图5所示，线性控制驱动就是采用线性调节器来控制LED，线性调节器是利用线性区的功率三极管或金氧半场效晶体管作为动态可调电阻来控制负载，保证LED流过的电流保持在一个稳定值。线性控制驱动精度上有了很大提高，但由于功率管消耗了很多功率，因此整体工作效率低，不节能。
(3)开关恒流源驱动。开关恒流源转换效率可达90%以上，是目前能量转换效率最高的。其先在输出端给电压或电流信号取样，然后通过PWM高频方波的脉冲宽度实现恒压或者恒流输出。在LED光源的驱动电路中，可根据LED光源的额定电流来选择它的恒流驱动。
通过以上三种驱动电源的比较可以看出，对于LED路灯来说，采用电阻限流和线性控制驱动方式都会产生较大的功率消耗，效率较低，节能效果不明显。而采用开关恒流驱动电源效率高、损耗小，还可利用PWM实现自动功率变换来调节LED的亮度，故采用开关恒流驱动控制作为LED路灯驱动电源的方案相对来说最合理。
4 LED路灯开关恒流源驱动电路框架构成
根据LED的连接方式和应用环境选择开关恒流源驱动电路结构，才能有效发挥LED节能环保的特点。图6为本文设计的LED路灯开关恒流源驱动电源电路的总体方案，输入电路包括EMI滤波器、整流滤波电路等，其输入电压范围为AC90～265V市电，经过整流后通过APFC电路实现功率因数校正，而DC/DC转换器选择半桥LLC谐振电路，完成隔离和降压的功能，最后为多路输出级，输出多路恒定的工作电流，同时通过PWM对LED路灯进行调光控制。
5 LED路灯实际应用案例
以某道路为例，该道路定位为城市主干道，结合城市道路改造，路灯光源由250W高压钠灯更换为180WLED灯，LED驱动电源采用深圳茂硕开关恒流源，经过3年来运行实际情况验证，其实际运行相关技术参数达到CJJ45—2006《城市道路照明设计标准》及GB/T31832—2015《LED城市道路照明应用技术要求》要求，正常工作一年的损坏率小于3%，单灯年节省电能379.6kW·h，具体计算如表1所示。
由此可知，LED路灯与传统照明比较，更加高效环保，不但可以节省不少电能，而且能减少二氧化碳排放和煤炭资源的使用。
6 结语
综上所述，当前LED路灯照明驱动电源存在着输出功率低、寿命不能与LED相匹配等问题，已成为制约LED推广应用的重要因素。因此，研究LED路灯照明的驱动电源，设计高效率、高功率因数、高可靠性、长寿命的驱动电源，具有重要的实用价值，并对推动LED路灯照明的推广应用具有十分重要的意义。
参考文献：
[1]马昌松,吴朝晖.基于电流型并联谐振多通道LED驱动电源设计[J].电力电子技术.2015(05)
[2]张鹏,赵鹏.FAN6961在LED路灯驱动电源中的应用[J].中小企业管理与科技(上旬刊).2014(03)
论文作者:张庆祥
论文发表刊物:《低碳地产》2016年8月第15期
论文发表时间:2016/11/4
标签：电源论文; 路灯论文; 电流论文; 电路论文; 调光论文; 功率因数论文; 电压论文; 《低碳地产》2016年8月第15期论文;