LED驅動電源的散熱保護的製作方法

2023-05-24 03:27:51

本發明涉及LED電源技術領域，具體涉及LED驅動電源的散熱保護。

背景技術：

對於LED照明來講，影響壽命的主要因素為：就是LED上施加的電流超過該LED技術規格的最大額定電流導致的過電衝擊，以及過壓引起的過電衝擊；以及過熱損傷。過熱損傷涉及電子原器件的立即失效，或發生過電衝擊現象後一段時間後才失效，導致了LED工作壽命的縮短；在LED照明領域，LED燈具失效主要來源於電源的失效、驅動的失效、LED器件本身的失效。通常LED電源和驅動的損壞來自於輸入電源的過電衝擊以及負載端的斷路故障。輸入電源的過電衝擊往往會造成驅動電路中驅動晶片的損壞，以及電容等被動元件發生擊穿損壞。負載端的短路故障則可能引起驅動電路的過電流驅動，驅動電路有可能發生短路損壞或有短路故障導致的過熱損壞；在LED應用中，大眾最為關心的是燈的壽命問題，而燈的壽命又取決於驅動電源，99％以上的燈故障都是由於驅動電源引起的，LED的壽命長達50000小時，但與之配套的驅動電源的壽命僅為2000小時。即使應用領域能達到10000小時的驅動電源壽命，也並非民用級產品。

技術實現要素：

本發明的目的提供LED驅動電源的散熱保護，解決上述現有技術問題中的一個或者多個。

為解決上述問題，本發明的技術方案為：LED驅動電源的散熱保護，其創新點在於：包括輸入保護電路、功率因素校正電路、緩衝電路以及電流控制電路；

輸入保護電路包括設置在電壓輸入端的隔離電路以及共模與差模幹擾抑制電路；輸入保護電路中的電阻採用負溫度係數的熱敏電阻；

功率因素校正電路包括晶片MC33260，晶片MC33260上設有1至8號管腳，1號管腳上一次串聯電阻R1、R2和電容C0後接地，2號管腳接電容Cc後接地，3號管腳接電容Ct後接地，4號管腳接電阻Rcop和電阻Rcx後接地，電阻Rcop接電容Cm、電阻Lp以及電阻Rd後接7號管腳，電容Cm、電阻Lp以及電阻Rd與電阻Rcx並聯，電容Cm兩端接一整流橋；5號管腳、6號管腳以及8號管腳均接地；

緩衝電路包括變壓器以及連接在變壓器線圈兩端的二極體Dc、電阻Rc以及電容Cc，電阻Rc和電容Cc並聯，二極體Dc與電阻Rc和電容Cc均串聯；

電流控制電路包括晶片NCP1230，晶片NCP1230上設有一至八號管腳，一號管腳接PFC，二號管腳接OPTO後接地，三號管腳接電阻R3和電阻R4後接地，R3接電阻L1再接電阻R1後接八號管腳，電阻L1和電阻R1與電阻R4並聯，四號管腳直接接地，五號管腳接一個電阻R2和一個二極體D16，電阻R2和二極體D16並聯，六號管腳接輸入電壓，七號管腳空插；電流控制電路還包括一單端反激式DC-DC變換器電路。

在一些實施方式中，整流橋由四個二極體組成。

在一些實施方式中，線圈外圍包裹一層銅箔。

本發明的優點：在輸入AC85-265V電壓時，採用隔離電路，保證用電設備的安全和對電網的保護；實現對輸入埠的輸入電路保護，有效抑制電網側產生脈動瞬態對LED驅動電源的幹擾，以及所產生的共模和差模幹擾。採用有源功率因數校正電路提高電路的功率因數。採用電流反饋控制，RC採樣電阻感應輸出電流大小，與參考點電壓進行比較，將輸出信號通過光電耦合電路輸入到控制器，由控制器產生的PWM控制信號，來控制變壓器的工作方式，確保變壓器恆流輸出；實現對輸入電路的保護中，採用負溫度係數熱敏電阻，進行啟動過電流保護，完全吸收輸入端的浪湧和脈衝幹擾，並經過保險絲進行過電流的保護；在電路中設置共模與差模幹擾抑制電路，用來減小LED驅動電源對其他用電設備的幹擾，同時可以抑制外界用電設備對驅動電源的幹擾；實現對功率因數校正電路的設計中，利用鎮流橋進行交直流轉換，並減小輸入電流和輸入電壓之間的相位差φ，以及減小輸入電流的諧波含量接近正弦波。採用有源功率因數控制晶片MC33260，能極大地減小電感和功率開關的尺寸，用最少的外部元器件來實現控制要求，且提升了驅動電源內部空間，為有效散熱提供了通道；實現RCD緩衝電路中，在線圈外圍包裹一層銅箔減小漏感、對電壓尖峰能量進行完全吸收，徹底解決變壓器漏感的完全消失，保障開關管不受衝擊和影響，提升開關管的使用壽命；實現對電流控制系統在提高電源效率、周期跳頻、內部斜坡電壓補償、軟啟動上，智能化的解決了LED驅動電源的散熱技術，具有更高的安全性和長壽命特性；在輸出端加有電感器Lo和電容Co組成的低通濾波器，變壓器初級Cr、Rr和Dr，組成的RCD漏感尖峰吸收電路。並在輸出迴路中設置一個整流二極體D1，能有效解決LED驅動電源較大的輸出功率、較大的轉換效率，且較好的調節性和較小的紋波；採用單端反激式DC-DC變換器，隔離、變壓、電感、儲存能量方面特性顯著，變換器連續工作模式下，很適合功率在100W～200W之間的電源，且輸出電壓較高，輸出電流較小。在變壓器副邊產生的串擾採用串聯飽和電感的方式來進行抑制，隔離和變壓作用非常明顯；在變壓器、晶片控制器等部位夾一層軟性矽膠導熱絕緣墊，其導熱能力、高等級耐壓效果顯著，為驅動電源內部器件發出的熱量能迅速提供快速熱傳導通道，為優化後的硬體電路本身具備的良好散熱電路又提供了雙重保障，LED驅動電源各元器件的使用壽命得到了有效提升，通過高壓衝擊試驗的多次測試，壽命至少提升3倍以上；本發明通過使用上述電路的優化設計後，LED驅動電源在工作過程中具有更加安全、穩定的性能，且使用壽命大大延長。

附圖說明

圖1 LED驅動電源的總體設計電路系統圖。

圖2 LED驅動電源功率因數校正電路圖。

圖3 LED驅動電源RCD緩衝電路圖。

圖4 LED驅動電源單端反激式DC-DC變換器電路圖。

圖5 LED驅動電源電流控制模塊的控制電路圖。

具體實施方式

下面結合說明書附圖，對本發明進行進一步詳細的說明。

如圖1所示，在LED驅動電源的散熱保護設計中，RC，CC和DC構成RCD電路，這也是緩衝電路的關鍵。在設計電路時必須考慮電路的可靠性，輸入端具備隔離電路，目的是保護電網和用電設備的安全；輸入端設計了輸入保護電路，用來保護LED驅動電源在電網側產生脈動瞬態幹擾下能夠正常工作，並有效抑制共模和差模幹擾；為了提高電路的功率因數，電路中採用了有效功率因數校正電路；為了實現恆流輸出，採用電流反饋控制，RC採樣電阻感應輸出電流大小，與參考點電壓進行比較，輸出信號通過光電耦合電路輸入到控制器，產生PWM控制信號，控制變壓器的工作方式，達到變壓器恆流輸出。

如圖1所示，LED驅動電源的散熱保護設計中，充分考慮LED大功率燈驅動電源用電環境的惡劣，外界的各種幹擾易導致電源出現問題；LED燈驅動電源的故障，也易導致對電網的安全隱患；設計在輸入端進行保護電路，來保護用電設備和電網的安全；在電路中利用負溫度係數的熱敏電阻，來啟動過電流保護，通過保險絲進行過電流保護；利用壓敏電阻來抑制瞬變傳導產生的幹擾，吸收輸入端的浪湧和脈衝幹擾；電路中設有共模與差模幹擾抑制電路，用來減小LED驅動電源對其他用電設備的幹擾，同時可以抑制外界用電設備對LED驅動電源的幹擾。

如圖2所示，採用功率因數校正電路，將市電經整流後供給負載，用4個二極體組成整流橋，經鎮流橋將交流變為直流，為規避二極體和電容組成的非線性電路產生大量的電流諧波和無功功率，造成電網的汙染，會使電網電壓發生畸變，會造成用電設備的故障和損壞，以及用電設備的功率因數越高，則有功功率所佔的比重越大，設備就越節能；為了提高功率因數，一要來考慮減小輸入電流和輸入電壓之間的相位差φ，努力使兩者同相位；二是要考慮減小輸入電流的諧波含量，採取一定的方法使輸入電流的波形接近正弦波；設計中採用MC33260晶片作為有效功率因數的控制晶片，該晶片只需使用最少的外部元器件便可實現控制要求，極大地減小電感和功率開關的尺寸，降低系統的成本且功能還能達到要求。

如圖3所示，為了防止開關管被峰值電壓擊穿，採用減小漏感，設計RCD緩衝電路吸收很高的電壓尖峰能量。在變壓器的加工過程中將線圈纏緊並緊密地包圍住氣隙，將線圈外圍包上銅箔能有效地減小漏感；RCD電路對電壓峰值進行完全吸收，徹底解決變壓器漏感的完全消失。

如圖4所示，變壓器T具備隔離、傳遞、儲存能量的作用，在開關管S導通時Np儲存能量，開關管S關斷時Np向Ns釋放能量；在輸出端加有電感器Lo和電容Co組成的低通濾波器，變壓器初級Cr、Rr和Dr，組成的RCD漏感尖峰吸收電路；輸出迴路中設置一個整流二極體D1，能解決LED驅動電源所需的輸出功率較大，需要較高的轉換效率，且需要較好的調節性和較小的紋波，考慮將LED照明裝置與電網隔離，以提高安全性，設計中採用單端反激式DC-DC變換器，不僅具有隔離和變壓的作用，還具有電感的特性，可以起到儲存能量的作用，且變換器工作於連續工作模式；該變換器特別適用於功率為100W～200W之間的電源，且輸出電壓較高，輸出電流較小。這種工作模式雖然會使變壓器副邊的二極體損耗較大，但可以減小變壓器的鐵芯損耗；變壓器副邊產生的串擾可以採用串聯飽和電感的方式來進行抑制，其優點在於電路結構簡單，隔離和變壓作用非常明顯。

如圖5所示，採用電流控制型的DC-DC變換器NCP1230模塊，能達到峰值電流控制模式的PWM控制器，解決了向前極供電的功能，在後續空載時關閉PFC電路，能夠提高電源的效率；該晶片還具有周期跳頻，內部斜坡電壓補償，軟啟動等一系列功能。

本發明針對LED燈的驅動電源受安裝環境條件的影響，很容易受到電磁幹擾，特別是雷擊幹擾的情況，驅動電源在設計階段就考慮防雷級別達到了D級，線線之間電壓承受±6kV，線地之間±6kV，在產品試驗過程中，直流輸出範圍與正常服務條件一致：DC輸出電壓的波動應在±10％以內；在試驗過程中或試驗結束後，驅動電源運行時不應有報警、錯誤報警等的電路的EMC防護。

本發明實施的LED驅動電源的電路架構設計和生產的LED驅動電源，能實現功率因數校正和電壓變化的緩衝，佔用PCB空間少，電源的整機成本低，有利於市場推廣，能很好地達到安規安全要求。

本發明依據「美國能源之星」對LED驅動電源的認證標準，民用核商用條件下的功率因數不低於0.7-0.9，本發明架構的LED驅動電源功率因數能達到0.998(即99.8％)，完全高於美國對LED燈具的國家行業標準。

以上所述僅是本發明的優選方式，應當指出，對於本領域普通技術人員來說，在不脫離本發明創造構思的前提下，還可以做出若干相似的變形和改進，這些也應視為本發明的保護範圍之內。