采用交流直接驅(qū)動(dòng)的工業(yè)照明LED燈具的設(shè)計(jì)

　　本文總結(jié)了工業(yè)照明燈具在固定專業(yè)類以及固定防爆類的具體要求，分析了傳統(tǒng)開關(guān)電源類型驅(qū)動(dòng)器的不足，介紹了交流直接驅(qū)動(dòng)方式的原理與特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了ACDrv方案響應(yīng)工業(yè)照明領(lǐng)域需求而達(dá)到的技術(shù)參數(shù)。

　　工業(yè)照明燈具的要求

　　采用LED作為固態(tài)照明光源的燈具有達(dá)到同樣照度需要的電能更少，比傳統(tǒng)燈具更長(zhǎng)的使用壽命的顯著特點(diǎn)，從而達(dá)到節(jié)能、維護(hù)成本低的目的，逐漸在工業(yè)照明領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用。

　　工業(yè)照明燈具,主要在石油、化工、鋼鐵、冶金、礦山、消防及燃?xì)?、鐵路、電力、公安、部隊(duì)、防汛、潛水救撈和搶險(xiǎn)救災(zāi)等行業(yè)已作為工作照明和應(yīng)急照明普遍使用。 其下分四大類，即固定專業(yè)類、固定防爆類、移動(dòng)專業(yè)類和移動(dòng)防爆類，因規(guī)格、性能各異而劃分。本文僅針對(duì)固定專業(yè)類以及固定防爆類的燈具要求進(jìn)行分析。

　　固定專業(yè)類：工業(yè)廠房按其建筑結(jié)構(gòu)型式可分為單層工業(yè)建筑和多層工業(yè)建筑。多層工業(yè)建筑的廠房一般不是很高，其照明設(shè)計(jì)多采用常規(guī)照明方案。機(jī)械加工、冶金、紡織等行業(yè)的生產(chǎn)廠房一般為單層工業(yè)建筑，并且根據(jù)生產(chǎn)的需要，更多的是多跨度單層工業(yè)廠房，即緊挨著平行布置的多跨度廠房，各跨跨度視需要可相同或不同。單層廠房在滿足一定建筑模數(shù)要求的基礎(chǔ)上視工藝需要確定其建筑寬度(跨度)、長(zhǎng)度和高度。廠房的跨度一般為6、9、12、15、18、21、24、27、30、36m……。廠房的長(zhǎng)度少則幾十米，多則數(shù)百米。廠房的高度低的一般5～6m，高的可達(dá)30～40m，甚至更高。廠房的跨度和高度是廠房照明設(shè)計(jì)中考慮的主要因素。另外多數(shù)工業(yè)廠房?jī)?nèi)設(shè)有吊車，因此，工廠照明通常采用裝在屋架上的燈具來(lái)實(shí)現(xiàn)。處在惡劣環(huán)境下的生產(chǎn)廠房具有多塵、潮濕、高溫或有蒸汽、振動(dòng)、煙霧、酸堿腐蝕性氣體或物質(zhì)、有輻射性物質(zhì)的環(huán)境特點(diǎn)，從而對(duì)燈具提出了更高的環(huán)境適應(yīng)度要求。要求如下：

　　1) 燈具整體質(zhì)量輕，能夠直接安裝在屋頂。

　　2) 更高的環(huán)境溫度，在夏季高溫季節(jié)，燈具附近的溫度可達(dá)到60度。

　　3) 開燈時(shí)間廠，大部分廠房24小時(shí)連續(xù)開燈。

　　4) 免維護(hù)，燈具安裝位置普遍較高，維護(hù)成本高。

　　5) IP防護(hù)等級(jí)高，部分燈具需要達(dá)到IP65等級(jí)

　　固定防爆類：

　　在有爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)性生產(chǎn)廠房的照明，需要采用防爆類型燈具。由于照明燈具在工作時(shí)不可避免地產(chǎn)生電火花或形成熾熱的表面，它們一旦與生產(chǎn)或救援現(xiàn)場(chǎng)的爆炸性氣體混合物相遇，就會(huì)導(dǎo)致爆炸事故的發(fā)生。防爆燈具是具有防爆性能的一類照明燈具，具有Ex這樣的標(biāo)志。防爆燈具的密封性能，在結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步采取保護(hù)措施等等，國(guó)家對(duì)防爆燈具有一定的要求。而非防爆燈具都沒有一以上的要求。在進(jìn)行隔爆燈具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，制造者往往重點(diǎn)放在隔爆外殼的外形和強(qiáng)度設(shè)計(jì)上，而對(duì)光源和驅(qū)動(dòng)電源的選擇卻普遍關(guān)注不夠。防爆燈具需要符合下列要求：

　　1） 能防止燈內(nèi)部可能產(chǎn)生的電弧、火花和高溫引燃周圍環(huán)境里的可燃性氣體和粉塵。

　　2) 更惡劣的工作環(huán)境，燈具環(huán)境溫度可能超過60度。

　　3) 免維護(hù)，燈具一般安裝在危險(xiǎn)區(qū)域或高空，一旦損壞，維護(hù)成本高。

　　4) 開燈時(shí)間長(zhǎng)，大部分連續(xù)24小時(shí)工作。

　　5) IP防護(hù)等級(jí)高。

　　總結(jié)上述兩類燈具的要求，除了外殼的密封等級(jí)差別，二者在光源上的要求幾乎完全相同。對(duì)燈具設(shè)計(jì)提出了新的要求，需要一種高可靠性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的光源模組，能夠應(yīng)用在兩種類型的照明燈具中，一方面可以做工業(yè)照明燈具在光源上標(biāo)準(zhǔn)化，減少重復(fù)開發(fā)，以規(guī)?；a(chǎn)來(lái)降低生產(chǎn)成本，另一方面可以提高互換性，減少維護(hù)成本。采用交流直接驅(qū)動(dòng)的LED模組可以達(dá)到上述設(shè)計(jì)目標(biāo)。

　　傳統(tǒng)開關(guān)電源類型驅(qū)動(dòng)的不足：

　　LED燈珠作為半導(dǎo)體器件，其壽命長(zhǎng)達(dá)50000小時(shí)以上，然而燈具的壽命取決于系統(tǒng)整體的壽命。LED燈具有三個(gè)核心組成部分LED燈珠、驅(qū)動(dòng)電源、散熱器及結(jié)構(gòu)件。由于熱管理問題導(dǎo)致的散熱不足會(huì)引起LED節(jié)溫的上升，從而引起光衰的問題，已逐漸得到廠家的重視。但對(duì)于驅(qū)動(dòng)電源的不良引起的燈具故障，我們還認(rèn)識(shí)不足。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前LED白光照明燈具出現(xiàn)的失效故障,70%左右是電源問題,20%左右是線路和結(jié)構(gòu)問題,只有不到10%是LED燈珠的本身質(zhì)量問題。特別是在工業(yè)照明領(lǐng)域，惡劣的工作環(huán)境更加劇了驅(qū)動(dòng)電源的故障率。傳統(tǒng)的開關(guān)電源式驅(qū)動(dòng)電源，不可避免的需要使用電解電容和變壓器進(jìn)行能量的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換，而電解電容的壽命與其工作溫度呈指數(shù)相關(guān)關(guān)系，電容量由于電解液的蒸發(fā)會(huì)逐漸下降，其壽命則僅為5000~10000小時(shí)。這樣電解電容的短壽命與LED燈珠的長(zhǎng)壽命之間有一個(gè)巨大的差距，削弱了LED的優(yōu)勢(shì).電解電容在極低溫度下，例如環(huán)境溫度零下30度時(shí)，由于內(nèi)部電解液遇冷凝固，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電源無(wú)法正常工作，燈具不能啟動(dòng)。因而無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)解決方案會(huì)成為工業(yè)照明領(lǐng)域的的最終市場(chǎng)選擇。開關(guān)電源類型的驅(qū)動(dòng)電源，在內(nèi)部會(huì)進(jìn)行頻繁的MOS管開關(guān)動(dòng)作，從而進(jìn)行能量的傳遞，眾所周知，用于能量轉(zhuǎn)化的變壓器，不可避免的會(huì)產(chǎn)生漏感，漏感產(chǎn)生的能量無(wú)處泄放，就會(huì)產(chǎn)生高電壓，擊穿絕緣或者產(chǎn)生電弧，這在防爆類型燈具中是需要絕對(duì)避免的。一般工業(yè)照明領(lǐng)域，所使用的燈具功率都較高，采用傳統(tǒng)開關(guān)電源結(jié)構(gòu)，由于內(nèi)部頻繁的高頻開關(guān)動(dòng)作，會(huì)產(chǎn)生很大EMC問題，容易對(duì)周圍設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，不利于燈具的密封，較大的重量，也使燈具的整體重量增加。

　　交流直接驅(qū)動(dòng)原理：

　　如圖1原理圖所示,為220V 40W模組,LED1,LED2,LED3,LED4 表示一組LED串或者高壓HVLED，這里所采用的是晶元50V 45mA高壓大功率燈珠，驅(qū)動(dòng)芯片采用上?？崴{(lán)科技的交流直接驅(qū)動(dòng)芯片ACDrv系列,Q1-Q4為耐壓600V的MOS管,其交替工作在完全導(dǎo)通、線性恒流、完全關(guān)斷狀態(tài)。 對(duì)于220V輸入電壓，內(nèi)部的控制器可以動(dòng)態(tài)適應(yīng)不同正向電壓的LED串，檢測(cè)流經(jīng)LED串的電流以及電壓，根據(jù)芯片的狀態(tài)機(jī)輪流切換并恒流控制。

　　圖1 應(yīng)用原理圖

　　其工作時(shí)序?yàn)楸?所示

　　表1　MOS管工作時(shí)序表

　　220V的交流輸入線與整流橋相連，產(chǎn)生全波整流信號(hào)波形。

　　LEDs 和 驅(qū)動(dòng)芯片直接由整流后的AC電壓供電。

　　LED1 LED2 LED3 LED4 的電流由四個(gè)外部采樣電阻R1~R4設(shè)置。

　　當(dāng)整流后的電壓從0V開始上升時(shí)，到達(dá)LED1的總串聯(lián)Vf值時(shí)，芯片內(nèi)部的狀態(tài)機(jī)控制電路會(huì)打開第一段的LED串，通過控制MOS管的柵極電壓，控制LED1的電流穩(wěn)定在恒流狀態(tài)1。當(dāng)整流后的電壓繼續(xù)上升達(dá)到LED1 Vf與LED2的Vf 的和時(shí)，芯片內(nèi)部的狀態(tài)機(jī)控制電路會(huì)關(guān)閉第一段的MOS管，打開和控制第二段的MOS管，控制流經(jīng)LED1 LED2的電流穩(wěn)定在恒流狀態(tài)2。與此對(duì)應(yīng)，隨電壓上升到達(dá)到LED1 LED2 LED3總串聯(lián)電壓時(shí)，內(nèi)部控制邏輯關(guān)斷第二段的MOS管，打開并控制第三段的MOS管，隨后流經(jīng)LED1 LED2 LED3的電流穩(wěn)定在恒流狀態(tài)3. 當(dāng)整流后的電壓繼續(xù)沿上升達(dá)到LED1 LED2 LED3 LED4的Vf和時(shí), 控制邏輯會(huì)控制流經(jīng)LED1 LED2 LED3 LED4的電流穩(wěn)定在恒流狀態(tài)4.

　　芯片內(nèi)部的控制電路會(huì)檢測(cè)輸入電壓與流經(jīng)每段LED的電流，據(jù)此來(lái)決定內(nèi)部狀態(tài)機(jī)的運(yùn)作。對(duì)LED的Vf正向電壓的選擇沒有限制，但是總的LED串聯(lián)電壓需要小于并接近于輸入交流電壓的峰值，對(duì)于220V電壓，一般總串聯(lián)電壓控制在270-280V為宜。ACDrv系列芯片內(nèi)部集成了過溫保護(hù)、欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)等，經(jīng)測(cè)試可以在環(huán)境溫度90下可靠地工作。

　　交流直接驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)：

　　1. 完美的系統(tǒng)參數(shù)

　　交流直接驅(qū)動(dòng)方案，其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為效率91%，功率因數(shù)0.98，THD 13.7%。如圖2所示

　　圖2 實(shí)測(cè)功率 總諧波失真 功率因數(shù)

　　在交流輸入端的電流波形如圖3所示，基本上呈正弦曲線形狀，所以電源的各項(xiàng)參數(shù)都很完美，可以順利通過3C UL CE等認(rèn)證。

　　圖3 輸入電流波形

　　交流直接驅(qū)動(dòng)方案，結(jié)合了開關(guān)電源與線性電源的優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)部主工作頻率在100Hz，低頻的工作頻率帶來(lái)了更低的電磁干擾與輻射，不會(huì)對(duì)周圍設(shè)備造成干擾。同時(shí)，ACDrv芯片內(nèi)部采用能量直接轉(zhuǎn)換方式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一方面可以提高轉(zhuǎn)換效率，另一方面消除了升壓降壓環(huán)節(jié)，不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部高壓，不會(huì)產(chǎn)生可能的高壓電弧，這對(duì)防爆燈類型照明燈具的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

　　2.設(shè)計(jì)及生產(chǎn)簡(jiǎn)單：該驅(qū)動(dòng)方案工作在40W功率，實(shí)測(cè)裸板光效大于100lm/W。外圍器件做到最少，只有10左右外圍器件。系統(tǒng)的壽命與組成系統(tǒng)的每個(gè)部件的故障率的乘積正相關(guān)，即壽命與元器件的個(gè)數(shù)呈負(fù)指數(shù)相關(guān)，交流直接驅(qū)動(dòng)方案在壽命上有著數(shù)量級(jí)的提升。傳統(tǒng)LED driver的設(shè)計(jì)，大部分都采用隔離線路，變壓器的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，初次級(jí)間的反壓會(huì)對(duì)MOS管的耐壓、輸出快恢復(fù)二極管要求都很高，這些都使設(shè)計(jì)成本上升，據(jù)了解一個(gè)設(shè)計(jì)相對(duì)完美的變壓器成本就占整個(gè)電源板的1/3~1/4;而HV LED的設(shè)計(jì)不需考慮這些問題，600V管子大大滿足設(shè)計(jì)要求。采用交流直接驅(qū)動(dòng)方案, 所有器件均采用貼片形式, 一次貼片加工就可完成光源與驅(qū)動(dòng)板的生產(chǎn)，大大提升了生產(chǎn)效率,以及提高了可靠性。驅(qū)動(dòng)電路部分和LED光源放置在同一鋁基板上，外接交流220V即可工作，擯棄了常規(guī)大重量的驅(qū)動(dòng)電源，大幅降低了整燈的重量，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，更有利于防爆燈的結(jié)構(gòu)隔離設(shè)計(jì)。見圖4，防爆燈模組圖

　　圖4，防爆燈模組圖

　　3長(zhǎng)壽命：從目前市場(chǎng)反饋來(lái)看，大部分LED燈具失效都是driver提前損壞，如果忽略設(shè)計(jì)上的缺陷與環(huán)境因素，基本上都是由于電解電容類器件的溫度與壽命特性影響了整個(gè)LED燈具的壽命;而對(duì)于交流直接驅(qū)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)方案，免去了大體積的電解電容，在源頭上解決了LED驅(qū)動(dòng)電源的壽命瓶頸，驅(qū)動(dòng)部分所采用的元器件的特性，均不會(huì)隨著時(shí)間或溫度變化而發(fā)生改變。ACDrv芯片內(nèi)部采用獨(dú)特算法的狀態(tài)機(jī)與PID控制器，能在保證在低穩(wěn)態(tài)誤差的同時(shí)，具備優(yōu)良的響應(yīng)速度，足以應(yīng)對(duì)電網(wǎng)上浪涌沖擊。在不加外置浪涌保護(hù)器時(shí)，可以通過2KV浪涌LN、LN/PE測(cè)試，在外加SPD的情況下，可以通過6KV浪涌測(cè)試，有效地保證了長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的可靠性。

　　4更寬的工作溫度范圍：

　　傳統(tǒng)driver設(shè)計(jì)中使用大量磁性器件，在低溫情況下，磁性器件的磁導(dǎo)率會(huì)大幅下降，從而影響了產(chǎn)品在低溫情況下的啟動(dòng)或線路工作的工作狀態(tài);而HV LED的設(shè)計(jì)中沒有使用磁性器件，不存大這方面的弊端. ACDrv系列芯片內(nèi)部采用寬溫度范圍設(shè)計(jì)，內(nèi)部的參考電壓在-40°C到120°C均保持恒定，變化范圍控制在3%以內(nèi)。

　　實(shí)際溫度測(cè)試如圖5所示，采用Fluke Ti32溫度測(cè)試儀，在環(huán)境溫度為50度情況下，內(nèi)部部驅(qū)動(dòng)部分最高點(diǎn)溫度為82度，LED的TC點(diǎn)溫度為86度。

　　圖5 內(nèi)部溫度測(cè)試方法

　　總結(jié)

　　交流直接驅(qū)動(dòng)方案是一種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)，具有高度的可靠性、更低的成本、更高的工業(yè)生產(chǎn)效率、更高的防爆安全性、更低的維護(hù)成本，具備傳統(tǒng)開關(guān)電源類型驅(qū)動(dòng)器不可比擬的優(yōu)越性。在大功率照明特別是工業(yè)類照明，其技術(shù)先進(jìn)性得到了批量化生產(chǎn)和市場(chǎng)反饋的驗(yàn)證，具備廣闊的應(yīng)用前景。