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國(guó)家半導(dǎo)體大功率長(zhǎng)壽命LED照明系統(tǒng)解決方案

作者: 時(shí)間:2011-10-11 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
由于擁有更高的效率與更長(zhǎng)的使用壽命,LED的使用日益普及。因此,供電電源需要具有更高效率,至少要有與LED相同的使用壽命。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司提出了一款解決方案,能夠確保效率達(dá)到90%并擁有超長(zhǎng)的使用壽命。

  就THD(總諧波失真)而言,歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN61000-3-2對(duì)功率損耗超過(guò)25W的照明裝置有嚴(yán)格限制。此外,這些照明裝置需要滿(mǎn)足功率因數(shù)要求。為此,需要包含有源PFC(功率因數(shù)校正),以確保輸入電流與輸入電壓吻合。

  下文將討論LED驅(qū)動(dòng)器滿(mǎn)足這些要求的工作原理,并對(duì)AC/DC降壓轉(zhuǎn)換器如何高效地驅(qū)動(dòng)30只同串的高亮度LED進(jìn)行說(shuō)明。

  此外,本文還將給出另外一種實(shí)現(xiàn)方法的結(jié)構(gòu)示意圖,即采用隔離式AC/DC電源及一款具有動(dòng)態(tài)余量控制的LM3464。通過(guò)避免電磁干擾,該方案具有極高效率。

  簡(jiǎn)介

  LED正越來(lái)越廣泛應(yīng)用于照明改造、工業(yè)照明、商業(yè)照明、街道照明以及其它眾多領(lǐng)域,其效率以及使用壽命已經(jīng)得以證實(shí),為提供更高可靠性,它需要一個(gè)良好的電源以滿(mǎn)足其需求。我們的第一個(gè)方案是由兩級(jí)構(gòu)成:一個(gè)前端PFC與一個(gè)LM3445 LED驅(qū)動(dòng)器。

  圖一給出了結(jié)構(gòu)框圖,該方案無(wú)需電流隔離并提高了工作效率。總系統(tǒng)效率更多地取決于AC/DC隔離變壓器。反激式PFC雖然經(jīng)濟(jì),但效率很難超過(guò)85%。在第一個(gè)方案中,在散熱裝置和LED之間使用絕緣膠層或陶瓷層進(jìn)行隔離,由于變壓器無(wú)須隔離,其效率變得更高。

  國(guó)家半導(dǎo)體大功率長(zhǎng)壽命LED照明系統(tǒng)解決方案

  圖1,結(jié)構(gòu)圖

  該電源的主要目的是將整流AC輸入轉(zhuǎn)換為DC穩(wěn)壓電流,以下是一個(gè)優(yōu)化示例,示意在350mA電流下如何驅(qū)動(dòng)功率達(dá)到35W的30個(gè)高亮度白光LED。該電源為L(zhǎng)ED提供了保護(hù),限定了瞬態(tài)輸入電壓,并在熱插拔時(shí)避免了電流浪涌。總的電源一致性(電源母線(xiàn)諧波(EN),電源母線(xiàn)干擾,國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)等)全部符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN)。

  下面是一個(gè)使用鎮(zhèn)流器對(duì)35W的T8管進(jìn)行替換的示例,見(jiàn)圖2。在LED串開(kāi)路、短路或過(guò)載的情況下,可以保護(hù)鎮(zhèn)流器以免發(fā)生故障。它確保了任何元件都不會(huì)在故障下過(guò)熱或燒毀,以確保設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。

  國(guó)家半導(dǎo)體大功率長(zhǎng)壽命LED照明系統(tǒng)解決方案

  圖2,使用鎮(zhèn)流器時(shí)35W的T8燈管進(jìn)行替換。

  鎮(zhèn)流器與T8的主要特點(diǎn)如下:

  ? 適用于歐洲輸入電壓范圍,但可以進(jìn)一步擴(kuò)展到從85VAC?265VAC的更寬范圍。

  ? PF為0.98

  ? 輸出電流為350mA

  ? 輸出電壓為100V±20%(取決于LED VF)

  ? 母線(xiàn)諧波符合EN61000 - 3 - 2 C類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)要求

  ? 電磁干擾(導(dǎo)電性)符合EN55022 標(biāo)準(zhǔn)要求

  ? 電磁干擾(輻射)符合現(xiàn)行EN55022 標(biāo)準(zhǔn)要求

  ? 效率為87%

  ? 符合現(xiàn)行安全標(biāo)準(zhǔn)要求

  ? 被動(dòng)冷卻方式

  ? 溫度范圍-20 ° C?+65 ° C

  ? 使用聚合物電容器延長(zhǎng)壽命

  ? 使用共享電流的3串90 LED LCW_G5GP-GX-6S的歐司朗T8管。

第一級(jí)PFC

  大多數(shù)基本的AC/DC電源在輸入線(xiàn)路中都會(huì)產(chǎn)生諧波失真且功率因數(shù)較差,因此很難滿(mǎn)足歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN - 61000 - 3 – 2的要求。該解決方案使用PFC電路,使輸入電流波形與輸入電壓波形同樣為正弦波波形。

  對(duì)于鎮(zhèn)流器產(chǎn)品,則符合歐洲EN - 61000 - 3 - 2C類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)適用于所有的照明產(chǎn)品,包括有源輸入功率大于25W的調(diào)光設(shè)備。

  PFC作為升壓轉(zhuǎn)換器,在臨界導(dǎo)通模式下運(yùn)行。它提供了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的輸出電壓(380VDC),作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)器輸入電壓。LED驅(qū)動(dòng)器作為恒定電流控制降壓轉(zhuǎn)換器,將更適用于整流輸入電壓。

  由于LED驅(qū)動(dòng)器具有更高輸入紋波,在380 VDC環(huán)境中將用較小電容。由于故障率較高,為保持長(zhǎng)久的使用壽命,不允許使用電解電容器。

  這種鎮(zhèn)流器使用EPCOS薄膜電容器來(lái)替代電解電容,根據(jù)內(nèi)部指標(biāo)對(duì)所有組件的額降值加以限定,這最大限度地減小了故障率,延長(zhǎng)了整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命。

  第二級(jí)是LED驅(qū)動(dòng)器 , 選用了LM3445恒流控制器。

  LM3445是一個(gè)具有自適應(yīng)恒定關(guān)斷時(shí)間的AC/DC降壓恒流控制器,兼容三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)(TRIAC)調(diào)光與脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)。LM3445為提供了恒定的電流值,調(diào)光解碼器允許更寬范圍的LED調(diào)光。

  圖3 詳細(xì)地示意了LED驅(qū)動(dòng)器在一個(gè)完整交流電周期內(nèi)Q3的漏源電壓和電流情況。

  該周期可劃分為幾個(gè)不同階段,曲線(xiàn)如下:

  1.閉合階段

  2.導(dǎo)通階段

  3.斷開(kāi)階段

  4.斷開(kāi)階段,能量轉(zhuǎn)移至負(fù)載

  國(guó)家半導(dǎo)體大功率長(zhǎng)壽命LED照明系統(tǒng)解決方案

  圖3,LED驅(qū)動(dòng)器在一個(gè)完整交流電周期內(nèi)Q3的漏源電壓和電流情況。

  該LED驅(qū)動(dòng)器采用恒定關(guān)斷時(shí)間控制,通過(guò)一串LED調(diào)節(jié)電流。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí),通過(guò)電感器的LED電流增加,直到達(dá)到由參考電壓和電流檢測(cè)電阻限定的峰值為止。達(dá)到該峰值電流后,MOSFET關(guān)斷,同時(shí)二極管在Toff期間導(dǎo)通。

  為驅(qū)動(dòng)更多的LED,進(jìn)行了一些改進(jìn),包括成功串接了60只LED。在輸出功率為70W時(shí),其總效率可達(dá)92%,通過(guò)并聯(lián)其他LM3445可以驅(qū)動(dòng)多串LED(每串30只),但將需要更多電纜,以連接LED 。

  國(guó)家半導(dǎo)體大功率長(zhǎng)壽命LED照明系統(tǒng)解決方案

  圖4,采用多串LED的解決方案。

  另一種方法如圖 4 所示 。其中主電源一側(cè)的輸出電壓低于60V,這符合UL1310標(biāo)準(zhǔn)Class 2對(duì)最高電壓的限制要求。當(dāng)隔離系統(tǒng)中要求限定次級(jí)電壓時(shí),唯一的選擇是多串LED。

  在次級(jí),LM3464是一款多通道LED驅(qū)動(dòng)控制器。作為線(xiàn)性穩(wěn)壓器,每個(gè)LM3464最多可控制四個(gè)外部功率N-MOSFET,因此,能夠控制多串LED,而每串可串聯(lián)多達(dá)15個(gè)LED。

  每通道最大的平均電流值可達(dá)500mA,圖 4 示意了LM3464如何控制絕緣AC/DC 初級(jí)離線(xiàn)電源,通過(guò)LM3464發(fā)出的指令可以對(duì)Vo動(dòng)態(tài)調(diào)整從而使通過(guò)每個(gè)線(xiàn)性穩(wěn)壓器的電壓值保持最低。Vo的調(diào)節(jié)基準(zhǔn)是參考電壓最高的LED串通道。即使每通道的驅(qū)動(dòng)電流達(dá)350mA,LM3464的功率效率也可超過(guò)95%。圖1和圖4的一個(gè)重要區(qū)別在于LM3464無(wú)需新的開(kāi)關(guān)頻率,這對(duì)于控制EMI而言極為重要,因?yàn)殡S著總功率的增加EMI會(huì)越來(lái)越難以控制,而 唯一的開(kāi)關(guān)噪聲來(lái)自于AC/DC部分。

  結(jié)論

  本文討論了驅(qū)動(dòng)更多數(shù)量LED的不同方法。第一個(gè)解決方案使用PFC作為標(biāo)準(zhǔn)的升壓裝置以驅(qū)動(dòng)一個(gè)有隔離散熱裝置的LED串(30只) ,這對(duì)于需要多串多數(shù)量LED的設(shè)計(jì)工程師來(lái)講是一個(gè)極具吸引力的選擇。示例著重于LED的更換,LED燈管的詳細(xì)信息可以根據(jù)需求提供。如果設(shè)計(jì)正確,除了高能效以外,LED燈管和鎮(zhèn)流器都有很長(zhǎng)的使用壽命。對(duì)于傳統(tǒng)的照明裝置來(lái)講,維護(hù)費(fèi)用一直是一筆很大的開(kāi)銷(xiāo),而使用LED燈管能將維護(hù)費(fèi)用降至最低。

  第二個(gè)解決方案使用一個(gè)一次電源和動(dòng)態(tài)余量控制的多通道線(xiàn)性穩(wěn)壓器。工程師想給每串LED串配備一個(gè)專(zhuān)屬電源,但是在每個(gè)LED串中使用降壓調(diào)節(jié)器會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。對(duì)于他們來(lái)講,這個(gè)解決方案確實(shí)極具吸引力。該LM3464提供了一個(gè)體積更小,價(jià)格更便宜,使用更簡(jiǎn)單的選擇,同時(shí)保持高功率效率、高可靠性和極佳的電磁兼容性能(EMC)。



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