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LED照明驅(qū)動(dòng)如何選擇及其設(shè)計(jì)技巧全面揭曉

發(fā)布時(shí)間:2013-11-01 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】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。本文為大家詳解LED照明驅(qū)動(dòng)該如何選擇及LED照明的設(shè)計(jì)技巧,看完之后,相信大家都可以輕松搞定LED照明設(shè)計(jì)了。

 ED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1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。

LED驅(qū)動(dòng)器基本的工作電路示意圖

圖1:LED驅(qū)動(dòng)器基本的工作電路示意圖

值得一提的,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。

如何選擇LED驅(qū)動(dòng)方式

如今在市場(chǎng)上典型的LED驅(qū)動(dòng)器包括兩類,即線性驅(qū)動(dòng)器和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器;大概的適用范圍見(jiàn)圖2.如電流大于500mA的大電流應(yīng)用采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器,因?yàn)榫€性驅(qū)動(dòng)器限于自身結(jié)構(gòu)原因,無(wú)法提供這樣大的電流;而在電流低于200mA的低電流應(yīng)用中,通常采用線性穩(wěn)壓器或分離穩(wěn)壓器;而在200至500mA的中等電流應(yīng)用中,既可以采用線性穩(wěn)壓器,也可以采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。

LED驅(qū)動(dòng)器分類

圖2 LED驅(qū)動(dòng)器分類

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的能效高,且提供極佳的亮度控制。線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,易于設(shè)計(jì),提供穩(wěn)流及過(guò)流保護(hù),且沒(méi)有電磁兼容性(EMC)問(wèn)題。

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在低電流LED應(yīng)用中,電阻型驅(qū)動(dòng)器盡管成本較低且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但這種驅(qū)動(dòng)器在低電壓條件下,正向電流較低,會(huì)導(dǎo)致LED亮度不足,且在負(fù)載突降等瞬態(tài)條件下,LED可能受損;并且電阻是耗能元件,整個(gè)方案的能效較低,見(jiàn)圖3。

電阻型與線型LED驅(qū)動(dòng)器對(duì)比

圖3 電阻型與線型LED驅(qū)動(dòng)器對(duì)比

例如在采用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)用示意圖見(jiàn)圖4。

常見(jiàn)的DC-DC LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

圖4 常見(jiàn)的DC-DC LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

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)是依賴于電壓、需要篩選(binning)LED,且能效較低。

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)(foldback),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。LEDDC-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24Vdc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12Vdc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12Vdc或12Vac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。

LED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IEC61347-2-13(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≤25Vrms(35.3Vdc);

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,ANSIC82.xxxLED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(Class2)、UL60950、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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LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)5大技巧要領(lǐng)

1、芯片發(fā)熱

這主要針對(duì)內(nèi)置電源調(diào)制器的高壓驅(qū)動(dòng)芯片。假如芯片消耗的電流為2mA,300V的電壓加在芯片上面,芯片的功耗為0.6W,當(dāng)然會(huì)引起芯片的發(fā)熱。驅(qū)動(dòng)芯片的最大電流來(lái)自于驅(qū)動(dòng)功率mos管的消耗,簡(jiǎn)單的計(jì)算公式為I=cvf(考慮充電的電阻效益,實(shí)際I=2cvf,其中c為功率MOS管的cgs電容,v為功率管導(dǎo)通時(shí)的gate電壓,所以為了降低芯片的功耗,必須想辦法降低c、v和f.如果c、v和f不能改變,那么請(qǐng)想辦法將芯片的功耗分到芯片外的器件,注意不要引入額外的功耗。再簡(jiǎn)單一點(diǎn),就是考慮更好的散熱吧。

2、功率管發(fā)熱

功率管的功耗分成兩部分,開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。要注意,大多數(shù)場(chǎng)合特別是LED市電驅(qū)動(dòng)應(yīng)用,開(kāi)關(guān)損害要遠(yuǎn)大于導(dǎo)通損耗。開(kāi)關(guān)損耗與功率管的cgd和cgs以及芯片的驅(qū)動(dòng)能力和工作頻率有關(guān),所以要解決功率管的發(fā)熱可以從以下幾個(gè)方面解決:

A、不能片面根據(jù)導(dǎo)通電阻大小來(lái)選擇MOS功率管,因?yàn)閮?nèi)阻越小,cgs和cgd電容越大。如1N60的cgs為250pF左右,2N60的cgs為350pF左右,5N60的cgs為1200pF左右,差別太大了,選擇功率管時(shí),夠用就可以了。

B、剩下的就是頻率和芯片驅(qū)動(dòng)能力了,這里只談?lì)l率的影響。頻率與導(dǎo)通損耗也成正比,所以功率管發(fā)熱時(shí),首先要想想是不是頻率選擇的有點(diǎn)高。想辦法降低頻率吧!不過(guò)要注意,當(dāng)頻率降低時(shí),為了得到相同的負(fù)載能力,峰值電流必然要變大或者電感也變大,這都有可能導(dǎo)致電感進(jìn)入飽和區(qū)域。如果電感飽和電流夠大,可以考慮將CCM(連續(xù)電流模式)改變成DCM(非連續(xù)電流模式),這樣就需要增加一個(gè)負(fù)載電容了。

3、工作頻率降頻

這個(gè)也是用戶在調(diào)試過(guò)程中比較常見(jiàn)的現(xiàn)象,降頻主要由兩個(gè)方面導(dǎo)致。輸入電壓和負(fù)載電壓的比例小、系統(tǒng)干擾大。對(duì)于前者,注意不要將負(fù)載電壓設(shè)置的太高,雖然負(fù)載電壓高,效率會(huì)高點(diǎn)。

對(duì)于后者,可以嘗試以下幾個(gè)方面:

  a、將最小電流設(shè)置的再小點(diǎn);

  b、布線干凈點(diǎn),特別是sense這個(gè)關(guān)鍵路徑;

  c、將電感選擇的小點(diǎn)或者選用閉合磁路的電感;

  d、加RC低通濾波吧,這個(gè)影響有點(diǎn)不好,C的一致性不好,偏差有點(diǎn)大,不過(guò)對(duì)于照明來(lái)說(shuō)應(yīng)該夠了。無(wú)論如何降頻沒(méi)有好處,只有壞處,所以一定要解決。

4、電感或者變壓器的選擇

很多用戶反應(yīng),相同的驅(qū)動(dòng)電路,用a生產(chǎn)的電感沒(méi)有問(wèn)題,用b生產(chǎn)的電感電流就變小了。遇到這種情況,要看看電感電流波形。有的工程師沒(méi)有注意到這個(gè)現(xiàn)象,直接調(diào)節(jié)sense電阻或者工作頻率達(dá)到需要的電流,這樣做可能會(huì)嚴(yán)重影響LED的使用壽命。所以說(shuō),在設(shè)計(jì)前,合理的計(jì)算是必須的,如果理論計(jì)算的參數(shù)和調(diào)試參數(shù)差的有點(diǎn)遠(yuǎn),要考慮是否降頻和變壓器是否飽和。變壓器飽和時(shí),L會(huì)變小,導(dǎo)致傳輸delay引起的峰值電流增量急劇上升,那么LED的峰值電流也跟著增加。在平均電流不變的前提下,只能看著光衰了。

5、LED電流大小

我們都知道LEDripple過(guò)大的話,LED壽命會(huì)受到影響。對(duì)于LEDripple過(guò)高影響有多大,一些LED廠表示30%以內(nèi)都可以接受,不過(guò)后來(lái)沒(méi)有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證。建議還是盡量控制小點(diǎn)。如果散熱解決的不好的話,LED一定要降額使用。也希望有專家能給個(gè)具體指標(biāo),要不然影響LED的推廣。

針對(duì)本文,相信你會(huì)覺(jué)得LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)并不難,一定要做到心中有數(shù),只要做到調(diào)試前計(jì)算,調(diào)試時(shí)測(cè)量,調(diào)試后老化,相信我們都可以輕松搞LED了。

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