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LED照明驅(qū)動選擇與設(shè)計技巧大揭秘

發(fā)布時間:2011-01-12 來源:電子元件技術(shù)網(wǎng)整理

關(guān)于LED照明驅(qū)動的中心議題:

  • LED驅(qū)動器通用要求
  • 如何選擇LED驅(qū)動方式
  • LED驅(qū)動器標準
  • LED驅(qū)動設(shè)計5大技巧要領(lǐng)

一、LED驅(qū)動器通用要求
LED 的排列方式及LED光源的規(guī)范決定著基本的驅(qū)動器要求。LED 驅(qū)動器的主要功能就是在一定的工作條件范圍下限制流過LED 的電流, 而無論輸入及輸出電壓如何變化。LED驅(qū)動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)之間沒有物理上的電氣連接,最常用的是采用變壓器來電氣隔離,而“非隔離”則沒有采用 高頻變壓器來電氣隔離。

LED驅(qū)動器的基本工作電路示意圖

值得一提的是,在LED 照明設(shè)計中,AC-DC 電源轉(zhuǎn)換與恒流驅(qū)動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)勢包括優(yōu)化能效及簡化安裝等;

2)分布式(distributed)配置,即兩者單獨存在,這種配置簡化安全考慮,并增加靈活性。

二、如何選擇LED驅(qū)動方式
如今在市場上典型的LED驅(qū)動器包括兩類,即線性驅(qū)動器和開關(guān)驅(qū)動器;大概的適用范圍見圖2。如電流大于500mA的大電流應(yīng)用采用開關(guān)穩(wěn)壓器,因為線性驅(qū)動器限于自身結(jié)構(gòu)原因,無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,也可以采用開關(guān)穩(wěn)壓器。

開關(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)比較簡單,易于設(shè)計,提供穩(wěn)流及過流保護,且沒有電磁兼容性(EMC)問題。

LED驅(qū)動器分類

在低電流LED應(yīng)用中,電阻型驅(qū)動器盡管成本較低且結(jié)構(gòu)簡單,但這種驅(qū)動器在低電壓條件下,正向電流較低,會導(dǎo)致LED亮度不足,且在負載突降等瞬態(tài)條件下,LED可能受損;并且電阻是耗能元件,整個方案的能效較低,見下圖示例。

電阻型與線性驅(qū)動器對比

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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)動方式有電阻型、線性穩(wěn)壓器及開關(guān)穩(wěn)壓器等,基本的應(yīng)用示意圖參見圖 4。

常見的DC-DC LED驅(qū)動方式

電阻型驅(qū)動方式中,調(diào)整與LED 串聯(lián)的電流檢測電阻即可控制LED 的正向電流,這種驅(qū)動方式易于設(shè)計、成本低,且沒有電磁兼容(EMC)問題,劣勢是依賴于電壓、需要篩選(binning) LED,且能效較低。

線性穩(wěn)壓器同樣易于設(shè)計且沒有EMC 問題,還支持電流穩(wěn)流及過流保護(fold back),且提供外部電流設(shè)定點,不足在于功率耗散問題,及輸入電壓要始終高于正向電壓,且能效不高。開關(guān)穩(wěn)壓器通過PWM 控制模塊不斷控制開關(guān)(FET)的開和關(guān),進而控制電流的流動。
          
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。LED DC-DC 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LED 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。

三、LED驅(qū)動器標準
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)標準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”/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 等標準,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。

四、LED驅(qū)動設(shè)計5大技巧要領(lǐng)
1、芯片發(fā)熱

這主要針對內(nèi)置電源調(diào)制器的高壓驅(qū)動芯片。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,當然會引起芯片的發(fā)熱。驅(qū)動芯片的最大電流來自于驅(qū)動功率mos管的消耗,簡單的計算公式為I=cvf(考慮充電的電阻效益,實際I=2cvf,其中c為功率MOS管的 cgs電容,v為功率管導(dǎo)通時的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。再簡單一點,就是考慮更好的散熱吧。
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2、功率管發(fā)熱
功率管的功耗分成兩部分,開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。要注意,大多數(shù)場合特別是LED市電驅(qū)動應(yīng)用,開關(guān)損害要遠大于導(dǎo)通損耗。開關(guān)損耗與功率管的cgd和cgs以及芯片的驅(qū)動能力和工作頻率有關(guān),所以要解決功率管的發(fā)熱可以從以下幾個方面解決:
A、不能片面根據(jù)導(dǎo)通電阻大小來選擇MOS功率管,因為內(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,夠用就可以了。

B、剩下的就是頻率和芯片驅(qū)動能力了,這里只談頻率的影響。頻率與導(dǎo)通損耗也成正比,所以功率管發(fā)熱時,首先要想想是不是頻率選擇的有點高。想辦法降低頻率吧!不過要注意,當頻率降低時,為了得到相同的負載能力,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負載電容了。

3、工作頻率降頻
這個也是用戶在調(diào)試過程中比較常見的現(xiàn)象,降頻主要由兩個方面導(dǎo)致。輸入電壓和負載電壓的比例小、系統(tǒng)干擾大。對于前者,注意不要將負載電壓設(shè)置的太高,雖然負載電壓高,效率會高點。

對于后者,可以嘗試以下幾個方面:
a、將最小電流設(shè)置的再小點;
b、布線干凈點,特別是sense這個關(guān)鍵路徑;
c、將電感選擇的小點或者選用閉合磁路的電感;
d、加RC低通濾波吧,這個影響有點不好,C的一致性不好,偏差有點大,不過對于照明來說應(yīng)該夠了。無論如何降頻沒有好處,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)動電路,用a生產(chǎn)的電感沒有問題,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。有的工程師沒有注意到這個現(xiàn)象,直接調(diào)節(jié)sense電阻或者工作頻率達到需要的電流,這樣做可能會嚴重影響LED的使用壽命。所以說,在設(shè)計前,合理的計算是必須的,如果理論計算的參數(shù)和調(diào)試參數(shù)差的有點遠,要考慮是否降頻和變壓器是否飽和。變壓器飽和時,L會變小,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LED ripple過大的話,LED壽命會受到影響。對于LED ripple過高影響有多大,一些LED廠表示30%以內(nèi)都可以接受,不過后來沒有經(jīng)過驗證。建議還是盡量控制小點。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具體指標,要不然影響LED 的推廣。

讀完本文,相信你會覺得 LED驅(qū)動設(shè)計并不難,一定要做到心中有數(shù),只要做到調(diào)試前計算,調(diào)試時測量,調(diào)試后老化,相信我們都可以輕松搞LED了。
 

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