松下向肯尼亚捐赠发电站、照明设备等 恒流式LED电源的优化设计与应用

导语： 世界宣明会（World Vision）和松下公司在肯尼亚纳罗克县（Narok County）推出离网解决方案项目（Off－grid Solutions Project）。

世界宣明会（World Vision）和松下公司在肯尼亚纳罗克县（Narok County）推出离网解决方案项目（Off－grid Solutions Project）。松下于2019年1月31日在纳罗克Ilkimati社区举行的启动仪式上捐赠了供电站、太阳能存储装置、太阳能灯及其他照明设备。

捐赠详情

太阳能站：2套（Ilkimati小学／Enkutoto医务所）

太阳能存储：7套（教堂）｜太阳能灯：150套（该社区150户家庭）

及额外一套照明设备

此次离网解决方案项目是松下为庆祝公司百年华诞所开展的其中一项企业社会责任计划。该项目针对亚洲及非洲大量人口未接入电网的社区，松下与致力于解决社会问题的非政府组织在这些地区积极开展合作。在肯尼亚，世界宣明会作为合作伙伴组织实施这一为期两年的项目。

该项目将为纳罗克县一个未接入国家电网的地区提供太阳能电力。据肯尼亚人口与住房普查数据显示，肯尼亚全国有22.7％的家庭接入国家电网。而在纳罗克县，仅5.6％的家庭被电网覆盖。

具体而言，这一新项目已向Ilkimati小学和Enkutoto医务所提供两个太阳能站及照明设备。他们还收到了太阳能存储装置。此外，松下向该社区150户家庭捐赠了太阳能灯。这将大大改善这一偏远地区儿童及社区的福祉。

为提升该项目的可持续发展，项目将对受益人群就电力和系统的基本知识，以及设备维护进行培训。一旦该地区覆盖太阳能电力，世界宣明会将帮助该社区开展一些创收活动，例如家禽养殖和校园园艺（将全面配备太阳能供电滴灌装置）。

此外，还将利用太阳能照明系统推出阅读营，以提高儿童及成人的识字能力。另外，提供太阳能灯来取代油灯还将帮助Ilkimati社区的居民避免室内空气污染的伤害，从而改善居民的健康状况。

编辑：严志祥

恒流式LED电源的优化设计与应用

引言

当前我国正在创建资源节约型、环境友好型社会，人们对于城市环境的呼声日益高涨。据统计，全球照明耗能约占总用电量的20%，绿色照明是节省能源的重要途径，也是人类社会可持续发展的一项重要举措。近年来，随着LED 技术的发展，LED产品已正式应用在多项大型亮化工程中，例如北京奥运村、北京长安西街、西宁湟水河廊桥、上海大厦、上海高宝金融大厦、青岛鑫江华润酒店、陕西万邦时代广场、中国科技会堂、南京水游城、贵州铜仁瓦窑河大桥及武汉阳逻长江大桥等一大批重要工程。

LED 是电流控制元件，通过流过的电流，直接将电能转变为光能，故也称光电转换器。因其不存在摩擦损耗和机械损耗，所以在节能方面比一般的光源效率高，但是LED 光源并不能像一般的普通光源一样可以直接使用电网电压，它必须配置一个电压转换装置，提供满足其额定的电压、电流，才能正常使用，即LED 驱动电源。但是各种不同的LED电源其性能和转换效率各不相同，所以选择合适、高效的LED 驱动电源，才能真正体现LED 光源的高效特性。

1 LED 电源基本工作原理

采用隔离变压器、PFC(功率因素校正，PowerFactor Correction)控制实现开关电源，输出恒定的电流和电压，驱动LED 灯。电路的总体框图见图1。

对于主电路部分，LED 抗浪涌的能力比较差，特别是抗反向电压能力，加强这方面的保护很重要，LED 电源若用于路灯装在户外更要加强浪涌防护。由于电网负载的启动和雷击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌，有些浪涌会导致LED 的损坏。因此LED 驱动电源应具有抑制浪涌侵入，保护LED 不被损坏的能力。EMI 滤波电路主要防止电网上的谐波干扰串入模块，影响控制电路的正常工作。三相交流电经过全桥整流后变成脉动的直流在滤波电容和电感的作用下，输出直流电压。主开关DC/AC 电路将直流电转换为高频脉冲电压在变压器的次级输出。变压器输出的高频脉冲经过高频整流、LC (无源) 滤波和EMI 滤波， 输出LED 路灯需要的直流电。PWM (脉宽调制) 控制电路采用电压电流双环控制，以实现对输出电压的调整和输出电流的限制。反馈网络采用恒流恒压器件和比较器。反馈信号通过光耦送给PFC 器件(本文选用ST 公司的L6562A)。由于使用了PFC 器件，可以使模块的功率因数达到0.95以上[2]

控制电路根据在输出端进行的取样，通过与预先设定的基准电压进行比较实现对逆变部分的控制，进而改变开关管的输出占空比，实现稳定输出。另外，根据取样和检测电路，通过控制电路可实现对整机的各种保护。

2 LED 电源设计思路

2.1 恒流驱动方式的优势

LED 路灯是低电压、大电流的驱动器件，其发光的强度由流过LED 的电流决定。电流过强会引起LED 的衰减，电流过弱会影响LED 的发光强度。从理论上来说，理想的LED 驱动方式是采用恒压、恒流，但考虑驱动器的成本增加，因此采用恒流驱动方式是比较理想的LED 驱动方式。此LED 驱动方式能避免LED 正向电压的改而引起电流变动，同时恒定的电流使LED 的亮度稳定，可以保证大功率LED使用的安全性，达到理想的发光强度。

2.2 EMI 滤波器的设计

由于开关电源工作在通断状态，会有很多快速瞬变过程，它本身就是一种EMI 源，它产生的EMI信号有很宽的频率范围，又有一定的幅度。若把这种电源直接用于数字设备，则设备产生的EMI 信号会变得更加强烈和复杂。以下从开关电源的工作原理出发，探讨其传导干扰抑制的EMI 滤波器的设计。

EMI 滤波器是一种由电感和电容组成的低通滤波器，它能让低频的有用信号顺利通过，而对高频干扰有抑制作用。怎样才能抑制这些高频干扰信号呢?无非就是要在信号进入设备之前把它遏制。亦即，在输入电路部分对高频干扰形成所谓的阻抗失配。失配越厉害，实现的衰减越理想，得到的插入损耗特性就越好。即如果噪音源内阻是低阻抗的，则与之对接的EMI 滤波器的输入阻抗应该是高阻抗(如电感量很大的串联电感);如果噪音源内阻是高阻抗的，则EMI滤波器的输入阻抗应该是低阻抗(如容量很大的并联电容)。这个原则也是设计抑制开关电源EMI 滤波器必须遵循的[3]。

几乎所有设备的传导干扰都包含共模干扰和差模干扰，开关电源也不例外。共模干扰是由于载流导体与大地之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的;而差模干扰则是由于载流导体之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位反向的。通常，线路上干扰电压的这两种分量是同时存在的。由于线路阻抗的不平衡，两种分量在传输中会互相转变，情况十分复杂。

在实际使用中，由于设备所产生的杂讯中共模和差模的成分不同，所采用的滤波电路也有变化，可适当增加或减少滤波元件。具体电路的调整一般要经过EMI 试验后才能有满意的结果，此外安装滤波电路时一定要保证接地良好，并且输入端和输出端要良好隔离，否则起不到滤波的效果。

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。

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