采用交流直接驅動的工業(yè)照明LED燈具的設計

　　本文總結了工業(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)開關電源類型驅動器的不足，介紹了交流直接驅動方式的原理與特點，詳細介紹了ACDrv方案響應工業(yè)照明領域需求而達到的技術參數(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到同樣照度需要的電能更少，比傳統(tǒng)燈具更長的使用壽命的顯著特點，從而達到節(jié)能、維護成本低的目的，逐漸在工業(yè)照明領域廣泛地應用。

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

　　固定專業(yè)類：工業(yè)廠房按其建筑結構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，其照明設計多采用常規(guī)照明方案。機械加工、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)要求的基礎上視工藝需要確定其建筑寬度(跨度)、長度和高度。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30～40m，甚至更高。廠房的跨度和高度是廠房照明設計中考慮的主要因素。另外多數(shù)工業(yè)廠房內設有吊車，因此，工廠照明通常采用裝在屋架上的燈具來實現(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、煙霧、酸堿腐蝕性氣體或物質、有輻射性物質的環(huán)境特點，從而對燈具提出了更高的環(huán)境適應度要求。要求如下：

　　1) 燈具整體質量輕，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到60度。

　　3) 開燈時間廠，大部分廠房24小時連續(xù)開燈。

　　4) 免維護，燈具安裝位置普遍較高，維護成本高。

　　5) IP防護等級高，部分燈具需要達到IP65等級

　　固定防爆類：

　　在有爆炸和火災危險性生產(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)場的爆炸性氣體混合物相遇，就會導致爆炸事故的發(fā)生。防爆燈具是具有防爆性能的一類照明燈具，具有Ex這樣的標志。防爆燈具的密封性能，在結構上進一步采取保護措施等等，國家對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。在進行隔爆燈具的結構設計時，制造者往往重點放在隔爆外殼的外形和強度設計上，而對光源和驅動電源的選擇卻普遍關注不夠。防爆燈具需要符合下列要求：

　　1） 能防止燈內部可能產(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，燈具一般安裝在危險區(qū)域或高空，一旦損壞，維護成本高。

　　4) 開燈時間長，大部分連續(xù)24小時工作。

　　5) IP防護等級高。

　　總結上述兩類燈具的要求，除了外殼的密封等級差別，二者在光源上的要求幾乎完全相同。對燈具設計提出了新的要求，需要一種高可靠性、結構簡單的光源模組，能夠應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準化，減少重復開發(fā)，以規(guī)?；a(chǎn)來降低生產(chǎn)成本，另一方面可以提高互換性，減少維護成本。采用交流直接驅動的LED模組可以達到上述設計目標。

　　傳統(tǒng)開關電源類型驅動的不足：

　　LED燈珠作為半導體器件，其壽命長達50000小時以上，然而燈具的壽命取決于系統(tǒng)整體的壽命。LED燈具有三個核心組成部分LED燈珠、驅動電源、散熱器及結構件。由于熱管理問題導致的散熱不足會引起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。但對于驅動電源的不良引起的燈具故障，我們還認識不足。據(jù)統(tǒng)計,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%左右是線路和結構問題,只有不到10%是LED燈珠的本身質量問題。特別是在工業(yè)照明領域，惡劣的工作環(huán)境更加劇了驅動電源的故障率。傳統(tǒng)的開關電源式驅動電源，不可避免的需要使用電解電容和變壓器進行能量的儲存和轉換，而電解電容的壽命與其工作溫度呈指數(shù)相關關系，電容量由于電解液的蒸發(fā)會逐漸下降，其壽命則僅為5000~10000小時。這樣電解電容的短壽命與LED燈珠的長壽命之間有一個巨大的差距，削弱了LED的優(yōu)勢.電解電容在極低溫度下，例如環(huán)境溫度零下30度時，由于內部電解液遇冷凝固，導致驅動電源無法正常工作，燈具不能啟動。因而無電解電容LED驅動解決方案會成為工業(yè)照明領域的的最終市場選擇。開關電源類型的驅動電源，在內部會進行頻繁的MOS管開關動作，從而進行能量的傳遞，眾所周知，用于能量轉化的變壓器，不可避免的會產(chǎn)生漏感，漏感產(chǎn)生的能量無處泄放，就會產(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避免的。一般工業(yè)照明領域，所使用的燈具功率都較高，采用傳統(tǒng)開關電源結構，由于內部頻繁的高頻開關動作，會產(chǎn)生很大EMC問題，容易對周圍設備產(chǎn)生電磁干擾，影響設備的正常運轉。同時其復雜的結構，不利于燈具的密封，較大的重量，也使燈具的整體重量增加。

　　交流直接驅動原理：

　　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，驅動芯片采用上?？崴{科技的交流直接驅動芯片ACDrv系列,Q1-Q4為耐壓600V的MOS管,其交替工作在完全導通、線性恒流、完全關斷狀態(tài)。 對于220V輸入電壓，內部的控制器可以動態(tài)適應不同正向電壓的LED串，檢測流經(jīng)LED串的電流以及電壓，根據(jù)芯片的狀態(tài)機輪流切換并恒流控制。

　　圖1 應用原理圖

　　其工作時序為表1所示

　　表1　MOS管工作時序表

　　220V的交流輸入線與整流橋相連，產(chǎn)生全波整流信號波形。

　　LEDs 和 驅動芯片直接由整流后的AC電壓供電。

　　LED1 LED2 LED3 LED4 的電流由四個外部采樣電阻R1~R4設置。

　　當整流后的電壓從0V開始上升時，到達LED1的總串聯(lián)Vf值時，芯片內部的狀態(tài)機控制電路會打開第一段的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。當整流后的電壓繼續(xù)上升達到LED1 Vf與LED2的Vf 的和時，芯片內部的狀態(tài)機控制電路會關閉第一段的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。與此對應，隨電壓上升到達到LED1 LED2 LED3總串聯(lián)電壓時，內部控制邏輯關斷第二段的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. 當整流后的電壓繼續(xù)沿上升達到LED1 LED2 LED3 LED4的Vf和時, 控制邏輯會控制流經(jīng)LED1 LED2 LED3 LED4的電流穩(wěn)定在恒流狀態(tài)4.

　　芯片內部的控制電路會檢測輸入電壓與流經(jīng)每段LED的電流，據(jù)此來決定內部狀態(tài)機的運作。對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系列芯片內部集成了過溫保護、欠壓保護、過壓保護等，經(jīng)測試可以在環(huán)境溫度90下可靠地工作。

　　交流直接驅動特點：

　　1. 完美的系統(tǒng)參數(shù)

　　交流直接驅動方案，其實測數(shù)據(jù)為效率91%，功率因數(shù)0.98，THD 13.7%。如圖2所示

　　圖2 實測功率 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，所以電源的各項參數(shù)都很完美，可以順利通過3C UL CE等認證。

　　圖3 輸入電流波形

　　交流直接驅動方案，結合了開關電源與線性電源的優(yōu)點，內部主工作頻率在100Hz，低頻的工作頻率帶來了更低的電磁干擾與輻射，不會對周圍設備造成干擾。同時，ACDrv芯片內部采用能量直接轉換方式的拓撲結構，一方面可以提高轉換效率，另一方面消除了升壓降壓環(huán)節(jié)，不會產(chǎn)生內部高壓，不會產(chǎn)生可能的高壓電弧，這對防爆燈類型照明燈具的設計至關重要。

　　2.設計及生產(chǎn)簡單：該驅動方案工作在40W功率，實測裸板光效大于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)的每個部件的故障率的乘積正相關，即壽命與元器件的個數(shù)呈負指數(shù)相關，交流直接驅動方案在壽命上有著數(shù)量級的提升。傳統(tǒng)LED driver的設計，大部分都采用隔離線路，變壓器的設計非常關鍵，初次級間的反壓會對MOS管的耐壓、輸出快恢復二極管要求都很高，這些都使設計成本上升，據(jù)了解一個設計相對完美的變壓器成本就占整個電源板的1/3~1/4;而HV LED的設計不需考慮這些問題，600V管子大大滿足設計要求。采用交流直接驅動方案, 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動板的生產(chǎn)，大大提升了生產(chǎn)效率,以及提高了可靠性。驅動電路部分和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)大重量的驅動電源，大幅降低了整燈的重量，簡化了結構的設計，更有利于防爆燈的結構隔離設計。見圖4，防爆燈模組圖

　　圖4，防爆燈模組圖

　　3長壽命：從目前市場反饋來看，大部分LED燈具失效都是driver提前損壞，如果忽略設計上的缺陷與環(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LED燈具的壽命;而對于交流直接驅動方案的設計方案，免去了大體積的電解電容，在源頭上解決了LED驅動電源的壽命瓶頸，驅動部分所采用的元器件的特性，均不會隨著時間或溫度變化而發(fā)生改變。ACDrv芯片內部采用獨特算法的狀態(tài)機與PID控制器，能在保證在低穩(wěn)態(tài)誤差的同時，具備優(yōu)良的響應速度，足以應對電網(wǎng)上浪涌沖擊。在不加外置浪涌保護器時，可以通過2KV浪涌LN、LN/PE測試，在外加SPD的情況下，可以通過6KV浪涌測試，有效地保證了長期穩(wěn)定工作的可靠性。

　　4更寬的工作溫度范圍：

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

　　實際溫度測試如圖5所示，采用Fluke Ti32溫度測試儀，在環(huán)境溫度為50度情況下，內部部驅動部分最高點溫度為82度，LED的TC點溫度為86度。

　　圖5 內部溫度測試方法

　　總結

　　交流直接驅動方案是一種創(chuàng)新的結構，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、更低的維護成本，具備傳統(tǒng)開關電源類型驅動器不可比擬的優(yōu)越性。在大功率照明特別是工業(yè)類照明，其技術先進性得到了批量化生產(chǎn)和市場反饋的驗證，具備廣闊的應用前景。