节能型照明产品电子驱动线路的研究

刘智超

（通用电气（中国）研究开发中心有限公司,上海 201203）

节能型照明产品电子驱动线路的研究

刘智超

（通用电气（中国）研究开发中心有限公司,上海 201203）

摘要：节能降耗是各国政府可持续发展所面临的重要问题，我国在《节能减排“十二五”规划》中明确提出分阶段淘汰普通照明用白炽灯等低效照明产品，推广新型高效照明产品，大力发展绿色照明。本文针对近年来的两种新型光源的驱动电路进行了分析和研究。对节能照明产品电子设计选型有一定参考意义。

关键词：绿色照明；荧光灯电子镇流器；LED驱动电路

“绿色照明”是上世纪90年代初国际上对节约电能、保护环境照明系统的形象说法。绿色照明中的典型代表产品是高效荧光灯和半导体（LED），近几十年里，各国著名高等院校、科研院所、公司都投入了大量资源进行研究和开发。本文旨在对两种节能照明产品的电子驱动线路做一些分析和讨论。

1　高效荧光灯电子镇流器

荧光灯是气体放电灯，其使用的镇流器有两类：电感式镇流器和电子式镇流器。由于电感式镇流器工作体积大、效率低、有频闪，对电网谐波污染严重，因此逐步被市场淘汰。电子镇流器采用高频电子线路，具有无频闪、效率高、体积小、可调光等众多优点。

要实现荧光灯的高频交流驱动，必须使用电力电子开关变换电路，下面主要介绍两类主要的拓扑结构：

1.1电压型半桥谐振电路

电压型半桥电路是由上下开关桥臂，LC串联谐振元件，开关驱动电路，预热及保护电路组成。其工作原理是基于LC串联电路在不同的供电频率下有着不同的阻抗特性，控制开关工作频率可以实现预热、点火、镇流以及变频调光。同时，半桥功率管工作在ZVS软开关状态下，效率高。在启动时半桥工作在较高频率状态下，灯管电压较低不能被击穿，谐振线路可对灯丝预热；预热充分后，减小开关频率，谐振电容产生很高的电压击穿荧光灯管；正常燃点时，控制开关频率可以稳定灯管电流；如果有调光需要，则可通过改变开关频率控制灯管电流变化。

开关驱动信号可以由串联于谐振回路的磁环提供（多用于低成本产品），但这种电路存在以下缺点：预热功能差，易产生灯丝电极溅射而降低灯丝寿命；磁环一致性差，批量生产时灯功率偏差较大；一般没有PFC电路，对电网谐波污染大；保护功能少，当灯负载发生破裂或者EOL等故障时，易造成电路损坏。

半桥驱动信号亦可通过专用IC控制产生（多用于高性能产品中）。专用IC有固定的启动程序，精确地频率控制，完善的保护机制，有些还集成调光控制，在性能要求较高的专业灯具领域广泛应用。

1.2推挽电路与电流馈电型半桥电路

上述电压型半桥广泛用于欧洲与国内市场，多灯应用时，灯管串联运行。而在北美市场，需要灯管能够并联运行，当某根灯管失效时，其他灯管不受影响。因而推挽和电流馈电型半桥电路应运而生。两种电路工作原理较为相似，均是通过主耦合电感以及镇流电容之间的自激谐振驱动上下桥臂互补导通，使输出电压保持高压，每一个输出支路由串联电容镇流，保证每个支路可以独立运行。两者不同之处是，推挽电路开关管上的电压应力是电流型半桥的两倍，因而只能用于低压供电线路（120V）。电流馈电型半桥电路需要较多的元器件，但开关管应力较小，可以应用于宽电压范围供电系统中。

近年来，也有学者与公司研发出新型的电压型半桥控制电路并同时能满足多灯并联要求。这种电路性能好，效率高，成本适中，有逐步替代原有技术的趋势。

2　高亮度白光LED驱动电路

作为2014年诺贝尔物理学奖的获得者，高亮度白光LED以其发光强度大、发光效率高、节能环保、寿命长等优点，被认为是人类继爱迪生发明白炽灯泡之后最伟大的发明之一。LED的电气特性类似一个恒压器件，因此其驱动电路的实质是提供一个恒流特性的直流源。

LED的驱动电源大致有如下几类：

2.1阻容降压电路

通过串联于母线与负载之间的电容和电阻将市电电压直接降低到适合LED灯串的幅值，整流滤波后给LED供电。由于元器件极少，成本非常低，大量应用于小功率（＜5W）的灯泡产品。阻容降压缺点也很明显：受电容容量体积的限制，功率难以做大；功率因数极低，对电网谐波污染大；电流一致性差。

2.2线性调整电路

线性调整电路是通过半导体放大电路实现LED的恒流供电，一般包含电流检测电路，模拟放大电路，功率调整管等。其优点是LED电流一致性好，电路简单，同时没有高频噪声，EMI小。但是线性电路中LED灯串的电压选择必须接近市电电压整流后电压值，否则调整管损耗较大，极大的限制了系统设计的灵活度。

2.3PWM开关电源电路

PWM开关电源电路转换效率高，易实现高功率因数、体积小、符合成本效益、可靠性好，是目前应用最广泛的驱动设计方式。用于LED驱动电路有降压式，升降压，反激，半桥等。由于LED一般需要恒流驱动，系统中必须加入输出电流反馈控制。近年来各大公司已经研发出通过原边信号直接计算控制输出电流的IC，替代以往副边采样光耦隔离反馈的复杂方式，系统简单，恒流精度高，是目前LED驱动电路的一个热点研究方向。

PWM驱动电路更容易实现调光功能。调光控制方式主要分为切相调光和0-10V调光两种，前者主要应用于一体式LED灯，后者则主要应用于独立式LED驱动器。

3　结论

新型光源的诞生促进了绿色照明系统的飞速发展，本文对两种高效节能照明光源的驱动电路进行了分类的论述，从基本原理到实际应用上做出了分析，并且对设计方案的选择上提供了优劣对比。

参考文献：

[1]中国绿色照明项目促进办公室.中国绿色照明工程实施展望[J].中国能源,2004,26（07）：36-39.

[2]易安.半导体照明—21世纪的节能新能源[J].中国创业投资与新科技,2004（08）.

[3]陈传虞.电子节能灯与电子镇流器的原理和制造[M].人民邮电出版社,2004.

作者简介：刘智超（1980—）男，湖北人，硕士，研究方向：电力电子技术。