簡易驅(qū)動器給力 高功率LED照明成本效益大增
發(fā)光二極管(LED)具有省電且毋須頻繁維護的特性,已成為路燈及其他高功率照明應(yīng)用的發(fā)展主流。LED照明驅(qū)動方法雖包羅萬象,但為達(dá)到市場對更高效率及更低系統(tǒng)成本的要求,以新的簡易拓?fù)潆娐穪眚?qū)動多個LED燈串已勢在必行。
觀察路燈或用于體育場的高天井燈,以及其他高功率照明應(yīng)用的發(fā)展趨勢,正逐漸轉(zhuǎn)向使用發(fā)光二極管(LED)做為光源的固態(tài)照明,主要原因在于LED具有更高的能源效率及較不頻繁的維護需求,而這兩項因素也證明如此的轉(zhuǎn)向確有其必要性。
在此類高功率照明應(yīng)用中,目前正考慮使用各種方法來驅(qū)動這些照明燈,本文將討論一種能以更高的效率及更低的系統(tǒng)成本,來驅(qū)動多個LED燈串的新拓?fù)?。為充分了解此一拓?fù)涞膬?yōu)點,首先將探討目前正在考慮解決方案或已經(jīng)在低功率LED應(yīng)用中發(fā)揮良好效果的各種方法。
驅(qū)動多LED串求效率 并/串聯(lián)方案各有利弊
要驅(qū)動多個LED燈串,最簡單的方法是使用能夠?qū)㈦娫措妷恨D(zhuǎn)換為直流電(DC)輸出電壓(例如12伏特或24伏特)的電源,然后以此一電源驅(qū)動并聯(lián)LED燈串,且在各個燈串中使用電阻來調(diào)節(jié)電流。此方法成本很低,但是現(xiàn)今的高亮度LED會耗用350毫安(mA)以上的電流,故這種方法的損耗極大,造成效率不高,且電流調(diào)節(jié)效果不佳,而使得燈串之間的光線差異極為明顯。
若要改善這種方法,必須使用線性穩(wěn)壓器取代電阻,以提升所有燈串的光線輸出一致性。然而,這樣做只能使光線輸出一致,而效率或功耗并未明顯改善。對于使LED使用壽命達(dá)到最長而言,降低功耗非常重要。在這兩種方法中,使用電阻或線性穩(wěn)壓器做為固定熱源,都會大幅縮短LED的使用壽命。
另一種同樣相當(dāng)簡單的方法是制作長的單一串聯(lián)燈串,并使用可產(chǎn)生高壓DC穩(wěn)定電流來源的單一電源。這種方法的高壓運作會達(dá)到60VDC或42伏特均方根值(RMS)安全極低壓(SELV)位準(zhǔn)以上,而其中的照明設(shè)備或附件須經(jīng)過安全機構(gòu)的許可,因而使得將相同電機設(shè)計運用于其他應(yīng)用的彈性大為降低。
單一燈串方法的另外一項考慮因素是可靠性。如果只有一個LED開啟,便會釋放整個照明設(shè)備的光線輸出。雖然可加裝許多消弧電路或裝置來控制各個LED開啟,但是這會增加燈具的成本及復(fù)雜度。
發(fā)光二極管(LED)具有省電且毋須頻繁維護的特性,已成為路燈及其他高功率照明應(yīng)用的發(fā)展主流。LED照明驅(qū)動方法雖包羅萬象,但為達(dá)到市場對更高效率及更低系統(tǒng)成本的要求,以新的簡易拓?fù)潆娐穪眚?qū)動多個LED燈串已勢在必行。
觀察路燈或用于體育場的高天井燈,以及其他高功率照明應(yīng)用的發(fā)展趨勢,正逐漸轉(zhuǎn)向使用發(fā)光二極管(LED)做為光源的固態(tài)照明,主要原因在于LED具有更高的能源效率及較不頻繁的維護需求,而這兩項因素也證明如此的轉(zhuǎn)向確有其必要性。
在此類高功率照明應(yīng)用中,目前正考慮使用各種方法來驅(qū)動這些照明燈,本文將討論一種能以更高的效率及更低的系統(tǒng)成本,來驅(qū)動多個LED燈串的新拓?fù)?。為充分了解此一拓?fù)涞膬?yōu)點,首先將探討目前正在考慮解決方案或已經(jīng)在低功率LED應(yīng)用中發(fā)揮良好效果的各種方法。
驅(qū)動多LED串求效率 并/串聯(lián)方案各有利弊
要驅(qū)動多個LED燈串,最簡單的方法是使用能夠?qū)㈦娫措妷恨D(zhuǎn)換為直流電(DC)輸出電壓(例如12伏特或24伏特)的電源,然后以此一電源驅(qū)動并聯(lián)LED燈串,且在各個燈串中使用電阻來調(diào)節(jié)電流。此方法成本很低,但是現(xiàn)今的高亮度LED會耗用350毫安(mA)以上的電流,故這種方法的損耗極大,造成效率不高,且電流調(diào)節(jié)效果不佳,而使得燈串之間的光線差異極為明顯。
若要改善這種方法,必須使用線性穩(wěn)壓器取代電阻,以提升所有燈串的光線輸出一致性。然而,這樣做只能使光線輸出一致,而效率或功耗并未明顯改善。對于使LED使用壽命達(dá)到最長而言,降低功耗非常重要。在這兩種方法中,使用電阻或線性穩(wěn)壓器做為固定熱源,都會大幅縮短LED的使用壽命。
另一種同樣相當(dāng)簡單的方法是制作長的單一串聯(lián)燈串,并使用可產(chǎn)生高壓DC穩(wěn)定電流來源的單一電源。這種方法的高壓運作會達(dá)到60VDC或42伏特均方根值(RMS)安全極低壓(SELV)位準(zhǔn)以上,而其中的照明設(shè)備或附件須經(jīng)過安全機構(gòu)的許可,因而使得將相同電機設(shè)計運用于其他應(yīng)用的彈性大為降低。
單一燈串方法的另外一項考慮因素是可靠性。如果只有一個LED開啟,便會釋放整個照明設(shè)備的光線輸出。雖然可加裝許多消弧電路或裝置來控制各個LED開啟,但是這會增加燈具的成本及復(fù)雜度。
運用降壓轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)電流 降低驅(qū)動電路成本成關(guān)鍵
事實上,在高功率LED照明應(yīng)用中,最常使用切換穩(wěn)壓器以調(diào)節(jié)電流的多重?zé)舸軜?gòu),其中的單一主電源會將交流電(AC)電源轉(zhuǎn)換為一般在SELV位準(zhǔn)以下的單一DC總線電壓;然后,此總線會為并聯(lián)LED燈串供電,而各個燈串都有降壓轉(zhuǎn)換器(最常見)或升壓轉(zhuǎn)換器。為求簡便,本文的分析僅局限于降壓轉(zhuǎn)換器,因為降壓轉(zhuǎn)換器在成本及組件數(shù)目方面都與升壓轉(zhuǎn)換器極為類似。
舉例來說,圖1顯示一個低成本簡易型降壓穩(wěn)壓器電路,包含脈沖寬度調(diào)變(PWM)控制器、電感、金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管(MOSFET)、二極管,以及多個電阻與電容。如果需要更高的效率,可以使用MOSFET代替二極管,并使用能夠達(dá)到同步降壓運作的PWM控制器。
圖1 簡易型降壓穩(wěn)壓器
而圖2則顯示利用降壓穩(wěn)壓器進行電流調(diào)節(jié)的高功率多重?zé)舸彰鲬?yīng)用子系統(tǒng)區(qū)塊。當(dāng)AC電源輸入經(jīng)過整流后,便供給到功率因子修正(PFC)升壓電路,其中PFC會產(chǎn)生400伏特的高壓,而向下游隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器提供輸入電源。然后,該轉(zhuǎn)換器輸出會用來產(chǎn)生低壓總線(一般為12伏特或24伏特),而向經(jīng)過降壓調(diào)節(jié)的LED燈串供電。
圖2 使用降壓穩(wěn)壓器的一般高功率LED照明系統(tǒng)
這種方法擁有較高的效率,是以最小LED燈串?dāng)?shù)構(gòu)成LED照明的理想選擇。不過,對于具有四個以上燈串的高功率應(yīng)用而言,組件數(shù)量及成本都會增加。對于電子組件廠商及供應(yīng)鏈而言,產(chǎn)品銷售量雖隨之增加;然而,對于照明設(shè)備廠商及其用戶來說,如此高的成本不利于產(chǎn)品受到廣泛使用,因為固態(tài)照明的穩(wěn)定發(fā)展須仰仗低成本的驅(qū)動電路,才能讓市場成形并穩(wěn)定成長。
兼具低成本/高效率 電氣絕緣設(shè)計方案亮眼
圖3顯示串聯(lián)輸入多重并聯(lián)LED簡易(Simple)驅(qū)動器,這是一種極具成本效益的多重LED燈串驅(qū)動方法。除了PFC之外,這也是一種兩段式方法,其中包括反向穩(wěn)定電流降壓穩(wěn)壓器及下游DC-DC變壓器電路。該方法的效率相當(dāng)高,且具有優(yōu)異的燈串電流調(diào)節(jié)功能,最重要的是,這是一個低成本的方法。
圖3 簡易型驅(qū)動多變壓器
此外,針對各個燈串加裝的單一被動硅控制整流器(SCR)消弧電路,這個方法也能夠達(dá)到備援效用。如果一個LED或燈串開啟,則光線輸出不會高于其他燈串。
在深入研究其中的運作之前,必須先討論對于使用簡易驅(qū)動多變壓器方法時出現(xiàn)的問題。首先要注意這是電氣絕緣設(shè)計,其中可設(shè)計二次側(cè)輸出電壓維持在SELV位準(zhǔn)以下,便不須讓照明設(shè)備與電源結(jié)合與互連,以獲得安全機構(gòu)的許可。原因與本文討論的所有脫機解決方案一樣,電源仍然須要安全許可,但是燈具并不需要,便省去一道流程。
此外,將輸出維持在這些位準(zhǔn)以下,亦可增加本身的彈性,使各種燈具都能滿足其他許多照明應(yīng)用的需求。
另從散熱管理的角度來看,這種絕緣設(shè)計較為理想,因為其中沒有對LED近接或接觸金屬附件的任何限制。更顯著的特點是,這種絕緣設(shè)計不需輸出端的回授,故不必使用光電或其他安全額定的絕緣回授裝置,所以,本文也會探討二次側(cè)的簡易性,因為二次側(cè)只有少數(shù)的被動組件,且沒有任何偏壓電源、主動組件或操控裝置。
總結(jié)來說,在運作方面,簡易驅(qū)動器擁有1%以上的絕佳燈串電流匹配,而且具有高效率的諧振運作,能夠隨著燈串?dāng)?shù)增加而達(dá)到更高的成本效益。
PFC電路輸出降低切換損耗
接著探討PFC電路的輸出,其為反向降壓電路的輸入模式,可經(jīng)過配置而產(chǎn)生穩(wěn)定電流輸出,而系統(tǒng)封閉回路便位于這種電流附近,因此,所產(chǎn)生的電流輸出會向下游供給到DC-DC變壓器電路,而該電路包含一個半橋式控制器、兩個MOSFET、電容C1與電容C2,以及多個變壓器。
然后,該電流還會流經(jīng)半橋式MOSFET開關(guān),到達(dá)串聯(lián)變壓器的一次側(cè),其中,電容C1與C2將發(fā)揮許多功能,不僅可用于為半橋式建立分壓器,同時是諧振電路的組成組件,并且是DC阻隔電容,有助于避免變壓器飽和。而諧振運作允許MOSFET開關(guān)以零電壓切換(ZVS)進行切換,這可降低切換損耗,并且強制輸出二極管達(dá)到零電流切換(ZCS),以發(fā)揮最大的效率。
必須注意的是,現(xiàn)已轉(zhuǎn)換為AC電流的DC電流會通過所有串聯(lián)變壓器的一次側(cè)前后諧振??纱?lián)的變壓器一次側(cè)數(shù)目相當(dāng)有彈性,因為可選擇繞組匝數(shù)比來支持許多變壓器或LED燈串。不過,計算匝數(shù)比須考慮燈串?dāng)?shù),這是由于其中規(guī)定變壓器數(shù)目及各個燈串的正向電壓。
發(fā)揮功率轉(zhuǎn)換效益 PFC設(shè)計考慮不可或缺
若要發(fā)揮功率轉(zhuǎn)換的最高效率,必須盡可能處理最少的功率,如此一來,也須盡可能接近輸入電壓進行運作才能達(dá)成。由于大多數(shù)高功率照明應(yīng)用都支持主動PFC的使用,因此,為簡單起見,可將它視為功能區(qū)塊,并且將一些典型值輸出代表其中的輸出。
由于大多數(shù)主動PFC電路都能發(fā)揮升壓轉(zhuǎn)換器的作用,因此PFC輸出電壓的設(shè)定必須高于最高AC線路電壓的峰值。在85~265VAC的一般輸入范圍中,大約是375伏特。增加容限及容差的一些動態(tài)范圍之后,400伏特便成為典型的設(shè)定值。
此外,為確保下游降壓擁有PFC輸出變化的較多動態(tài)范圍,就須增加較多的容限,以適應(yīng)約40伏特的漣波,這使得反向降壓輸入運作點下限為大約360伏特。再加上為確保降壓輸出具有一定的最大壓降,以便運作正常,也須要提供一定的動態(tài)范圍,并將輸出范圍限定在280伏特。
計算降壓/變壓器匝數(shù)比 穩(wěn)定電流值呼之欲出
了解各個范圍限度之后,下一個步驟是要了解如何透過降壓及變壓器匝數(shù)比來計算此一設(shè)計實例的穩(wěn)定電流值。在此類設(shè)計中,使用兩個變壓器以1安培(A)的電流驅(qū)動四個LED燈串,各個燈串都具有十個高功率LED。假設(shè)LED正向電壓為3.5伏特,而燈串電壓為35伏特,由于DC降壓的輸出運作點是設(shè)定在280伏特,故此時成為DC-DC變壓器電路的輸入。
此一情形表示施加于串聯(lián)一次側(cè)的電壓將為電容分壓器(由C1與C2組成)電壓的二分之一,使得串聯(lián)一次側(cè)配置的電壓達(dá)到140伏特。如公式1所示:
透過公式1的等式,各個變壓器的一次側(cè)電壓(VP)=橋接電壓/變壓器數(shù)=140伏特/2=70伏特,匝數(shù)比的計算變得相當(dāng)容易,其中NP=一次側(cè)匝數(shù);NS=二次側(cè)匝數(shù);VS=二次側(cè)或LED燈串電壓;VP=各個一次側(cè)繞組兩端的電壓。
另一方面,若要計算各個變壓器驅(qū)動兩個LED燈串時,有關(guān)反向降壓的電流輸出設(shè)定值,必須先確認(rèn)交替半個周期中各個變壓器只有一個燈串導(dǎo)電。
不過,要在休眠期間維持LED導(dǎo)電狀態(tài),向?qū)щ姛舸峁┑碾娏鞅仨毷荓ED電流的兩倍;也就是說,在所需LED電流為1安培的情況下,每半個周期向LED及濾波器電容提供的電流為2安培。若要計算降壓穩(wěn)壓器,則必須如公式2所示設(shè)定電流值(ISet):
如上所述,確定變壓器需求相當(dāng)簡單,同時使簡易驅(qū)動成為能因應(yīng)眾多不同照明應(yīng)用的彈性解決方案。不過,若要使簡易驅(qū)動成為眾多LED照明應(yīng)用區(qū)塊方法的一部分,還須要考慮上游功率級,例如半橋式的功率處理組件、反向降壓及PFC等,因為必須調(diào)整這些功率級,才能處理所希望驅(qū)動器達(dá)到的最高功率級。
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