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LED照明驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)中問(wèn)題分析

作者: 時(shí)間:2013-04-24 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

LED的排列方式及LED 光源的規(guī)范決定著基本的器要求。LED器的主要功能就是在一定的工作條件范圍下限制流過(guò)LED的電流,而無(wú)論輸入及輸出電壓如何變化。最常用的是采用變壓器來(lái)進(jìn)行電氣隔離。文中論述了設(shè)計(jì)需要考慮的因素。

LED照明驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)中問(wèn)題分析

一、LED器通用要求

驅(qū)動(dòng)LED 面臨著不少挑戰(zhàn),如正向電壓會(huì)隨著溫度、電流的變化而變化,而不同個(gè)體、不同批次、不同供應(yīng)商的LED 正向電壓也會(huì)有差異;另外,LED 的“色點(diǎn)”也會(huì)隨著電流及溫度的變化而漂移。

另外,應(yīng)用中通常會(huì)使用多顆LED,這就涉及到多顆LED 的排列方式問(wèn)題。各種排列方式中,首選驅(qū)動(dòng)串聯(lián)的單串LED,因?yàn)檫@種方式不論正向電壓如何變化、輸出電壓(Vout)如何“漂移”,均提供極佳的電流匹配性能。

當(dāng)然,用戶也可以采用并聯(lián)、串聯(lián)-并聯(lián)組合及交叉連接等其它排列方式,用于需要“相互匹配的”LED 正向電壓的應(yīng)用,并獲得其它優(yōu)勢(shì)。如在交叉連接中,如果其中某個(gè)LED 因故障開(kāi)路,電路中僅有1個(gè)LED 的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)加倍,從而盡量減少對(duì)整個(gè)電路的影響。

常見(jiàn)的LED排列方式

LED 的排列方式及LED 光源的規(guī)范決定著基本的驅(qū)動(dòng)器要求。LED 驅(qū)動(dòng)器的主要功能就是在一定的工作條件范圍下限制流過(guò)LED 的電流,而無(wú)論輸入及輸出電壓如何變化。LED驅(qū)動(dòng)器基本的工作電路示意圖如圖2所示,其中所謂的“隔離”表示交流線路電壓與LED(即輸入與輸出)之間沒(méi)有物理上的電氣連接,最常用的是采用變壓器來(lái)電氣隔離,而“非隔離”則沒(méi)有采用高頻變壓器來(lái)電氣隔離。

值得一提的是,在LED 照明設(shè)計(jì)中,AC-DC 電源轉(zhuǎn)換與恒流驅(qū)動(dòng)這兩部分電路可以采用不同配置:

1)整體式(integral)配置,即兩者融合在一起,均位于照明燈具內(nèi),這種配置的優(yōu)勢(shì)包括優(yōu)化能效及簡(jiǎn)化安裝等;

2)分布式(distributed)配置,即兩者單獨(dú)存在,這種配置簡(jiǎn)化安全考慮,并增加靈活性。 LED 驅(qū)動(dòng)器根據(jù)不同的應(yīng)用要求,可以采用恒定電壓(CV)輸出工作,即輸出為一定電流范圍下鉗位的電壓;也可以采用恒定電流(CC)輸出工作,輸出的設(shè)計(jì)能?chē)?yán)格限定電流;也可能會(huì)采用恒流恒壓(CCCV)輸出工作,即提供恒定輸出功率,故作為負(fù)載的 LED 的正向電壓確定其電流。

總的來(lái)看,LED 照明設(shè)計(jì)需要考慮以下幾方面的因素:

輸出功率:涉及LED 正向電壓范圍、電流及LED 排列方式等

電源:AC-DC 電源、DC-DC 電源、直接采用AC 電源驅(qū)動(dòng)

功能要求:調(diào)光要求、調(diào)光方式(模擬、數(shù)字或多級(jí))、照明控制

其他要求:能效、功率因數(shù)、尺寸、成本、故障處理(保護(hù)特性)、要遵從的標(biāo)準(zhǔn)及可靠性等

更多考慮因素:機(jī)械連接、安裝、維修/替換、壽命周期、物流等

二、LED 驅(qū)動(dòng)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用AC-DC 電源的LED 照明應(yīng)用中,電源轉(zhuǎn)換的構(gòu)建模塊包括二極管、開(kāi)關(guān)(FET)、電感及電容及電阻等分立元件用于執(zhí)行各自功能,而脈寬調(diào)制(PWM)穩(wěn)壓器用于控制電源轉(zhuǎn)換。

電路中通常加入了變壓器的隔離型AC-DC 電源轉(zhuǎn)換包含反激、正激及半橋等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其中反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是功率小于30 W 的中低功率應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)選擇,而半橋結(jié)構(gòu)則最適合于提供更高能效/功率密度。就隔離結(jié)構(gòu)中的變壓器而言,其尺寸的大小與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān),且多數(shù)隔離型 LED 驅(qū)動(dòng)器基本上采用“電子”變壓器。

常見(jiàn)的隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用 DC-DC 電源的LED 照明應(yīng)用中,可以采用的LED 驅(qū)動(dòng)方式有電阻型、線性穩(wěn)壓器及開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器等,基本的應(yīng)用示意圖參見(jiàn)電阻型驅(qū)動(dòng)方式中,調(diào)整與LED 串聯(lián)的電流檢測(cè)電阻即可控制LED 的正向電流,這種驅(qū)動(dòng)方式易于設(shè)計(jì)、成本低,且沒(méi)有電磁兼容(EMC)問(wèn)題,劣勢(shì)是依賴(lài)于電壓、需要篩選(binning)LED,且能效較低。

常見(jiàn)的DC-DC LED驅(qū)動(dòng)方式

線性穩(wěn)壓器同樣易于設(shè)計(jì)且沒(méi)有EMC 問(wèn)題,還支持電流穩(wěn)流及過(guò)流保護(hù)(fold back),且提供外部電流設(shè)定點(diǎn),不足在于功率耗散問(wèn)題,及輸入電壓要始終高于正向電壓,且能效不高。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器通過(guò)PWM 控制模塊不斷控制開(kāi)關(guān)(FET)的開(kāi)和關(guān),進(jìn)而控制電流的流動(dòng)。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器具有更高的能效,與電壓無(wú)關(guān),且能控制亮度,不足則是成本相對(duì)較高,復(fù)雜度也更高,且存在電磁干擾(EMI)問(wèn)題。LED DC-DC 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括降壓(Buck)、升壓(Boost)、降壓-升壓(Buck-Boost)或單端初級(jí)電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)等不同類(lèi)型。

其中,所有工作條件下最低輸入電壓都大于LED 串最大電壓時(shí)采用降壓結(jié)構(gòu),如采用24 Vdc 驅(qū)動(dòng)6顆串聯(lián)的LED;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(shí)采用升壓結(jié)構(gòu),如采用12 Vdc 驅(qū)動(dòng) 6顆串聯(lián)的LED;而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時(shí)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(dòng) 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(dòng)LED 的方式近年來(lái)也獲得了一定的發(fā)展,其應(yīng)用示意圖參見(jiàn)。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(shí)才導(dǎo)通。這種結(jié)構(gòu)具有其優(yōu)勢(shì),如避免AC-DC 轉(zhuǎn)換所帶來(lái)的功率損耗等。但是,這種結(jié)構(gòu)中LED 在低頻開(kāi)關(guān),故人眼可能會(huì)察覺(jué)到閃爍現(xiàn)象。此外,在這種設(shè)計(jì)中還需要加入LED 保護(hù)措施,使其免受線路浪涌或瞬態(tài)的影響。

三、功率因數(shù)校正

美國(guó)能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR)固態(tài)照明(SSL)規(guī)范中規(guī)定任何功率等級(jí)皆須強(qiáng)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(tái)燈,其中,住宅應(yīng)用的LED 驅(qū)動(dòng)器功率因數(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(guó)家都絕對(duì)強(qiáng)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(jī)構(gòu)大力推動(dòng)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(jī)構(gòu)購(gòu)入/維護(hù)街燈時(shí),也可以根據(jù)他們的意愿來(lái)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(wú)源 PFC 及有源PFC 兩種。無(wú)源PFC 方案的體積較大,需要增加額外的元件來(lái)更好地改變電流波形,能夠達(dá)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)只需要采用無(wú)源元件及稍作電路改動(dòng),即可實(shí)現(xiàn)高于0.7的功率因數(shù)。 有源 PFC通常是作為一個(gè)專(zhuān)門(mén)的電源轉(zhuǎn)換段增加到電路中來(lái)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(dá)直流450至480 Vdc.如果恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)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(zhuān)門(mén)的DC-DC 轉(zhuǎn)換來(lái)提供電流穩(wěn)流。

四、能效問(wèn)題

LED 照明應(yīng)用的能效需要結(jié)合功率輸出來(lái)考慮。美國(guó)“能源之星”固態(tài)照明規(guī)范規(guī)定了照明器具級(jí)的能效,但并不涉及單獨(dú) LED 驅(qū)動(dòng)器的能效要求。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?fù)浣Y(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(kāi)始生效,要求標(biāo)準(zhǔn)工作模式下最低能效達(dá)87%,而低壓工作模式下最低能效達(dá)86%;在此規(guī)范中,功率大于100 W 時(shí)才要求PFC. 美國(guó)能源部2008年秋季提出的燈具能效研發(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(wèn)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(kāi)關(guān)頻率一般會(huì)改善能效,但卻會(huì)增加系統(tǒng)尺寸。諸如諧振這樣新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供更高能效,卻也增加設(shè)計(jì)及元件的復(fù)雜度。如果我們將設(shè)計(jì)限定在較窄的功率及電壓范圍,則可以幫助優(yōu)化能效。

五、驅(qū)動(dòng)器標(biāo)準(zhǔn)

LED 驅(qū)動(dòng)器本身也在不斷演進(jìn),著重于進(jìn)一步提高能效、增加功能及功率密度。美國(guó)“能源之星”的固態(tài)照明規(guī)范提出的是照明器具級(jí)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(duì)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(shí)不冒煙或易燃 此外,ANSI C82.xxx LED 驅(qū)動(dòng)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(jì)還涉及到產(chǎn)品壽命周期及可靠性問(wèn)題。



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