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LED驅(qū)動電源電路設(shè)計的幾個大問題

作者: 時間:2013-05-17 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

開關(guān)穩(wěn)壓器具有更高的能效,與電壓無關(guān),且能控制亮度,不足則是成本相對較高,復(fù)雜度也更高,且存在電磁干擾(EMI)問題。 開關(guān)穩(wěn)壓器常見的拓撲結(jié)構(gòu)包括降壓(Buck)、升壓(Boost)、降壓-升壓(Buck-Boost)或單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)等不同類型。

其中,所有工作條件下最低輸入電壓都大于 串最大電壓時采用降壓結(jié)構(gòu),如采用24 Vdc 驅(qū)動6顆串聯(lián)的;與之相反,所有工作條件下最大輸入電壓都小于最低輸出電壓時采用升壓結(jié)構(gòu),如采用12 Vdc 驅(qū)動 6顆串聯(lián)的LED;而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時可以采用降壓-升壓或SEPIC 結(jié)構(gòu),如采用12 Vdc 或12 Vac 驅(qū)動 4顆串聯(lián)的LED,但這種結(jié)構(gòu)的成本及能效最不理想。

采用交流電源直接驅(qū)動LED 的方式近年來也獲得了一定的發(fā)展,其應(yīng)用示意圖參見.這種結(jié)構(gòu)中LED 串以相反方向排列,工作在半周期,且LED 在線路電壓大于正向電壓時才導(dǎo)通。這種結(jié)構(gòu)具有其優(yōu)勢,如避免AC-DC 轉(zhuǎn)換所帶來的損耗等。但是,這種結(jié)構(gòu)中LED 在低頻開關(guān),故人眼可能會察覺到閃爍現(xiàn)象。此外,在這種設(shè)計中還需要加入LED 保護措施,使其免受線路浪涌或瞬態(tài)的影響。

三、因數(shù)校正

美國能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR)固態(tài)照明(SSL)規(guī)范中規(guī)定任何等級皆須強制提供功率因數(shù)校正(PFC)。這標(biāo)準(zhǔn)適用于一系列特定產(chǎn)品,如嵌燈、櫥柜燈及臺燈,其中,住宅應(yīng)用的LED 功率因數(shù)須大于0.7,而商業(yè)應(yīng)用中則須大于0.9;但是,這標(biāo)準(zhǔn)屬于自愿性標(biāo)準(zhǔn)。歐盟的IEC61000-3-2諧波含量標(biāo)準(zhǔn)中則規(guī)定了功率大于25 W 的照明應(yīng)用的總諧波失真性能,其最大限制相當(dāng)于總諧波失真(THD)35%,而功率因數(shù)(PF)>0.94.

雖然不是所有國家都絕對強制要求照明應(yīng)用中改善功率因數(shù),但某些應(yīng)用可能有這方面的要求,如公用事業(yè)機構(gòu)大力推動擁有高功率因數(shù)的產(chǎn)品在公用設(shè)施中的商業(yè)應(yīng)用,此外,公用事業(yè)機構(gòu)購入/維護街燈時,也可以根據(jù)他們的意愿來決定是否要求擁有高功率因數(shù)(通常>0.95+)。

PFC 技術(shù)包括無源 PFC 及有源PFC 兩種。無源PFC 方案的體積較大,需要增加額外的元件來更好地改變電流波形,能夠達到約0.8或更高的功率因數(shù)。其中,在小于5 W 至40 W 的較低功率應(yīng)用中,幾乎是標(biāo)準(zhǔn)選擇的反激式拓撲結(jié)構(gòu)只需要采用無源元件及稍作電路改動,即可實現(xiàn)高于0.7的功率因數(shù)。 有源 PFC通常是作為一個專門的電源轉(zhuǎn)換段增加到電路中來改變輸入電流波形。有源PFC 通常提供升壓,交流100至277 Vac的寬輸入范圍下,PFC 輸出電壓范圍達直流450至480 Vdc.如果恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計PFC 段,可以提供91%到95%的高能效。但增加了有源PFC,仍然需要專門的 轉(zhuǎn)換來提供電流穩(wěn)流。

四、能效問題

LED 照明應(yīng)用的能效需要結(jié)合功率輸出來考慮。美國“能源之星”固態(tài)照明規(guī)范規(guī)定了照明器具級的能效,但并不涉及單獨 LED 的能效要求。如前所述,采用AC-DC 電源的LED應(yīng)用可以采用兩段式分布拓撲結(jié)構(gòu),故可能采用外部AC-DC適配器供電。

而“能源之星”的確包含有關(guān)單輸出外部電源的規(guī)范,其 2.0版外部電源規(guī)范于2008年11月開始生效,要求標(biāo)準(zhǔn)工作模式下最低能效達87%,而低壓工作模式下最低能效達86%;在此規(guī)范中,功率大于100 W 時才要求PFC. 美國能源部2008年秋季提出的LED照明燈具能效研發(fā)目標(biāo) 而在采用AC-DC 電源的LED 應(yīng)用中,要提供更高的AC-DC 轉(zhuǎn)換能效,就涉及到成本、尺寸、性能規(guī)范及能效等因素之間的折衷問題。例如,若使用更高質(zhì)量的元件、更低導(dǎo)通阻抗(RDSon),就可降低損耗及改善能效;降低開關(guān)頻率一般會改善能效,但卻會增加系統(tǒng)尺寸。諸如諧振這樣新的拓撲結(jié)構(gòu)提供更高能效,卻也增加設(shè)計及元件的復(fù)雜度。如果我們將設(shè)計限定在較窄的功率及電壓范圍,則可以幫助優(yōu)化能效。

五、標(biāo)準(zhǔn)

LED 驅(qū)動器本身也在不斷演進,著重于進一步提高能效、增加功能及功率密度。美國“能源之星”的固態(tài)照明規(guī)范提出的是照明器具級的能效限制,涉及包括功率因數(shù)在內(nèi)的特定產(chǎn)品要求。而歐盟的IEC 61347-2-13(5/2006)標(biāo)準(zhǔn)針對采用直流或交流供電的LED模塊的要求包括: 最大安全特低電壓(SELV)工作輸出電壓≤25 Vrms(35.3 Vdc) 不同故障條件下“恰當(dāng)”/安全的工作 故障時不冒煙或易燃 此外,ANSI C82.xxx LED 驅(qū)動器規(guī)范仍在制定之中。而在安全性方面,需要遵從UL、CSA 等標(biāo)準(zhǔn),如UL1310(Class 2)、UL 60950、UL1012.此外,LED 照明設(shè)計還涉及到產(chǎn)品壽命周期及可靠性問題。


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