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              LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)談:驅(qū)動(dòng)方式、器件選型、紋波抑制

              2017/9/15 9:47:25 作者: 來源:中國之光網(wǎng)
              摘要:要普及LED燈具,不但需要大幅度降低成本,更需要解決技術(shù)性的問題。如何設(shè)計(jì)出高效可靠且低成本的LED驅(qū)動(dòng)器是其中的關(guān)鍵。

                要普及LED燈具,不但需要大幅度降低成本,更需要解決技術(shù)性的問題。如何設(shè)計(jì)出高效可靠且低成本的LED驅(qū)動(dòng)器是其中的關(guān)鍵。

                主流的幾種LED驅(qū)動(dòng)方式

                1、阻容降壓

                利用電容在交流下的阻抗來限制輸入電流,從而獲得直流電平給LED供電。這種驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉,但是輸入非隔離方案,有安全隱患。而且轉(zhuǎn)換效率很低,無法做到恒流控制。

                2、隔離反激電路

                利用反激電路,通過變壓器在副邊產(chǎn)生直流電平,再通過光耦將此電平的紋波反饋回原邊,從而自激穩(wěn)定。此類電路符合安規(guī)認(rèn)定要求,而且輸出恒流精度較好,轉(zhuǎn)換效率較高。但由于需要光耦和副邊恒流控制電路,導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜,體積大,成本高。目前已逐漸為原邊方案取代。

                3、原邊方案

                原邊方案就是通過完全在交流原邊控制輸出的電源和電流,最精確可以做到5%的恒流精度,副邊僅需簡單的輸出電路即可。原邊主要依靠輔助邊的反饋來控制輸出電壓,依靠限流電阻對原邊電流的控制,同時(shí)乘以匝比來控制輸出電流的精度。原邊方案繼承了隔離反激電路的種種優(yōu)點(diǎn),同時(shí)架構(gòu)簡單,可以做到小體積和低成本,目前已成為主流驅(qū)動(dòng)。

                原邊的恒流精度問題:由于變壓的生產(chǎn)精度難以控制,導(dǎo)致原邊方案在使用低質(zhì)量變壓器時(shí),輸出電流漂移較大。所以,原邊方案通過改進(jìn)增加了副邊恒流控制電路,這樣雖然比普通的原邊方案復(fù)雜了,但是對比反激方案,仍然可以省去光耦等,系統(tǒng)性價(jià)比最高。

                LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)考慮要素

                根據(jù)電網(wǎng)的用電規(guī)則和LED驅(qū)動(dòng)電源的特性要求,在選擇和設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電源時(shí)要考慮到以下幾點(diǎn):

                1、高可靠性

                特別像LED路燈的驅(qū)動(dòng)電源,裝在高空,維修不方便,維修的花費(fèi)也大。

                2、高效率

                LED是節(jié)能產(chǎn)品,驅(qū)動(dòng)電源的效率要高。對于電源安裝在燈具內(nèi)的結(jié)構(gòu),尤為重要。因?yàn)長ED的發(fā)光效率隨著LED溫度的升高而下降,所以LED的散熱非常重要。電源的效率高,它的耗損功率小,在燈具內(nèi)發(fā)熱量就小,也就降低了燈具的溫升。對延緩LED的光衰有利。

                3、高功率因素

                功率因素是電網(wǎng)對負(fù)載的要求。一般70瓦以下的用電器,沒有強(qiáng)制性指標(biāo)。雖然功率不大的單個(gè)用電器功率因素低一點(diǎn)對電網(wǎng)的影響不大,但晚上大家點(diǎn)燈,同類負(fù)載太集中,會(huì)對電網(wǎng)產(chǎn)生較嚴(yán)重的污染。對于30瓦~40瓦的LED驅(qū)動(dòng)電源,據(jù)說不久的將來,也許會(huì)對功率因素方面有一定的指標(biāo)要求。

                4、驅(qū)動(dòng)方式

                現(xiàn)在通行的有兩種:其一是一個(gè)恒壓源供多個(gè)恒流源,每個(gè)恒流源單獨(dú)給每路LED供電。這種方式,組合靈活,一路LED故障,不影響其他LED的工作,但成本會(huì)略高一點(diǎn)。另一種是直接恒流供電,LED串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行。它的優(yōu)點(diǎn)是成本低一點(diǎn),但靈活性差,還要解決某個(gè)LED故障,不影響其他LED運(yùn)行的問題。這兩種形式,在一段時(shí)間內(nèi)并存。多路恒流輸出供電方式,在成本和性能方面會(huì)較好。也許是以后的主流方向。

                5、浪涌保護(hù)

                LED抗浪涌的能力是比較差的,特別是抗反向電壓能力。加強(qiáng)這方面的保護(hù)也很重要。有些LED燈裝在戶外,如LED路燈。由于電網(wǎng)負(fù)載的啟甩和雷擊的感應(yīng),從電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)侵入各種浪涌,有些浪涌會(huì)導(dǎo)致LED的損壞。因此LED驅(qū)動(dòng)電源要有抑制浪涌的侵入,保護(hù)LED不被損壞的能力。

                6、保護(hù)功能

                電源除了常規(guī)的保護(hù)功能外,最好在恒流輸出中增加LED溫度負(fù)反饋,防止LED溫度過高。

                7、防護(hù)方面

                燈具外安裝型,電源結(jié)構(gòu)要防水、防潮,外殼要耐曬。

                8、驅(qū)動(dòng)電源的壽命要與LED的壽命相適配。

                9、要符合安規(guī)和電磁兼容的要求。

                隨著LED的應(yīng)用日益廣泛,LED驅(qū)動(dòng)電源的性能將越來越適合LED的要求。

                LED驅(qū)動(dòng)器件選型注意事項(xiàng)

                以下是電源管理IC領(lǐng)導(dǎo)廠商PowerIntegrations公司的專家DougBailey分享的高效高可靠LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的一些心得。

                1、不要使用雙極型功率器件

                DougBailey指出由于雙極型功率器件比MOSFET便宜,一般是2美分左右一個(gè),所以一些設(shè)計(jì)師為了降低LED驅(qū)動(dòng)成本而使用雙極型功率器件,這樣會(huì)嚴(yán)重影響電路的可靠性,因?yàn)殡S著LED驅(qū)動(dòng)電路板溫度的提升,雙極型器件的有效工作范圍會(huì)迅速縮小,這樣會(huì)導(dǎo)致器件在溫度上升時(shí)故障從而影響LED燈具的可靠性,正確的做法是要選用MOSFET器件,MOSFET器件的使用壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于雙極型器件。

                2、盡量不要使用電解電容

                LED驅(qū)動(dòng)電路中到底要不要使用電解電容?目前有支持者也有反對者,支持者認(rèn)為如果可以將電路板溫度控制好,依次達(dá)成延長電解電容壽命的目的,例如選用105度壽命為8000小時(shí)的高溫電解電容,根據(jù)通行的電解電容壽命估算公式“溫度每降低10度,壽命增加一倍”,那么它在95度環(huán)境下工作壽命為16000小時(shí),在85度環(huán)境下工作壽命為32000小時(shí),在75度環(huán)境下工作壽命為64000小時(shí),假如實(shí)際工作溫度更低,那么壽命會(huì)更長!由此看來,只要選用高品質(zhì)的電解電容對驅(qū)動(dòng)電源的壽命是沒有什么影響的!

                還有的支持者認(rèn)為由無電解電容帶來的高紋波電流而導(dǎo)致的低頻閃爍會(huì)對某些人眼造成生理上的不適,幅度大的低頻紋波也會(huì)導(dǎo)致一些數(shù)碼像機(jī)設(shè)備出現(xiàn)差頻閃爍的亮暗柵格。所以,高品質(zhì)光源燈具還是需要電解電容的。不過反對者則認(rèn)為電解電容會(huì)自然老化,另外,LED燈具的溫度極難控制,所以電解電容的壽命必然會(huì)減少,從而影響LED燈具的壽命。

                對此,DougBailey認(rèn)為,在LED驅(qū)動(dòng)電路輸入部分可以考慮不用電解電容,實(shí)際上使用PI的LinkSwitch-PH就可以省去電解電容,PI的單級PFC/恒流設(shè)計(jì)可以讓設(shè)計(jì)師省去大容量電容,在輸出電路中,可以用高耐壓陶瓷電容來代替電解電容從而提升可靠性,“有的人在設(shè)計(jì)兩級電路的時(shí)候,在輸出采用了一個(gè)400V的電解電容,這會(huì)嚴(yán)重影響電路的可靠性,建議采用單級電路用陶瓷電容就可以了?!彼麖?qiáng)調(diào)?!皩τ诓惶P(guān)注調(diào)光功能、高溫環(huán)境及需要高可靠性的工業(yè)應(yīng)用來說,我強(qiáng)烈建議不采用電解電容進(jìn)行設(shè)計(jì)?!?/p>

                3、MOSFET的耐壓不要低于700V

                耐壓600V的MOSFET比較便宜,很多認(rèn)為LED燈具的輸入電壓一般是220V,所以耐壓600V足夠了,但是很多時(shí)候電路電壓會(huì)到340V,在有浪涌的時(shí)候,600V的MOSFET很容易被擊穿,從而影響了LED燈具的壽命,實(shí)際上選用600VMOSFET可能節(jié)省了一些成本但是付出的卻是整個(gè)電路板的代價(jià),所以,“不要選用600V耐壓的MOSFET,最好選用耐壓超過700V的MOSFET.”他強(qiáng)調(diào)。

                4、盡量使用單級架構(gòu)電路

                Doug表示有些LED電路采用了兩級架構(gòu),即“PFC(功率因數(shù)校正)+隔離DC/DC變換器”的架構(gòu),這樣的設(shè)計(jì)會(huì)降低電路的效率。例如,如果PFC的效率是95%,而DC/DC部分的效率是88%,則整個(gè)電路的效率會(huì)降低到83.6%!“PI的LinkSwitch-PH器件同時(shí)將PFC/CC控制器、一個(gè)725VMOSFET和MOSFET驅(qū)動(dòng)器集成到單個(gè)封裝中,將驅(qū)動(dòng)電路的效率提升到87%!”Doug指出,“這樣的器件可大大簡化電路板布局設(shè)計(jì),最多能省去傳統(tǒng)隔離反激式設(shè)計(jì)中所用的25個(gè)元件!省去的元件包括高壓大容量電解電容和光耦器?!盌oug表示LED兩級架構(gòu)適用于必須使用第二個(gè)恒流驅(qū)動(dòng)電路才能使PFC驅(qū)動(dòng)LED恒流的舊式驅(qū)動(dòng)器。這些設(shè)計(jì)已經(jīng)過時(shí),不再具有成本效益,因此在大多數(shù)情況下都最好采用單級設(shè)計(jì)。

                5、盡量使用MOSFET器件

                如果設(shè)計(jì)的LED燈具功率不是很高,Doug建議使用集成了MOSFET的LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品,因?yàn)檫@樣做的好處是集成MOSFET的導(dǎo)通電阻少,產(chǎn)生的熱量要比分立的少,另外,就是集成的MOSFET是控制器和FET在一起,一般都有過熱關(guān)斷功能,在MOSFET過熱時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)斷電路達(dá)到保護(hù)LED燈具的目的,這對LED燈具非常重要,因?yàn)長ED燈具一般很小巧且難以進(jìn)行空氣散熱。

                LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中抑制紋波的5種方法

                LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中,對于紋波,理論上和實(shí)際上都是一定存在的,通常抑制或減少它的做法有五種。

                輸出紋波是指直流電源輸出時(shí),疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量。用示波器來看,會(huì)看到電壓上下輕微波動(dòng),就像水紋一樣,所以叫做紋波。通常抑制或減少它的做法有如下幾種:

                1、加大電感和輸出電容濾波

                根據(jù)LED驅(qū)動(dòng)電源的公式,電感內(nèi)電流波動(dòng)大小和電感值成反比,輸出紋波和輸出電容值成反比。所以加大電感值和輸出電容值可以減小紋波。

                輸出紋波與輸出電容的關(guān)系:vripple=Imax/(Co×f)??梢钥闯?,加大輸出電容值可以減小紋波。

                

                通常的做法,對于輸出電容,使用鋁電解電容以達(dá)到大容量的目的。但是電解電容在抑制高頻噪聲方面效果不是很好,而且ESR也比較大,所以會(huì)在它旁邊并聯(lián)一個(gè)陶瓷電容,來彌補(bǔ)鋁電解電容的不足。

                同時(shí),LED驅(qū)動(dòng)電源工作時(shí),輸入端的電壓Vin不變,但是電流是隨開關(guān)變化的。這時(shí)輸入電源不會(huì)很好地提供電流,通常在靠近電流輸入端(以BucK型為例,是SWITcH附近),并聯(lián)電容來提供電流。

                2、二級濾波,就是再加一級LC濾波器

                LC濾波器對噪紋波的抑制作用比較明顯,根據(jù)要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構(gòu)成濾波電路,一般能夠很好的減小紋波。但是,這種情況下需要考慮反饋比較電壓的采樣點(diǎn)。

                

                采樣點(diǎn)選在LC濾波器之前(Pa),輸出電壓會(huì)降低。因?yàn)槿魏坞姼卸加幸粋€(gè)直流電阻,當(dāng)有電流輸出時(shí),在電感上會(huì)有壓降產(chǎn)生,導(dǎo)致電源的輸出電壓降低。而且這個(gè)壓降是隨輸出電流變化的。

                3、LED驅(qū)動(dòng)電源輸出之后,接LDO濾波

                這是減少紋波和噪聲最有效的辦法,輸出電壓恒定,不需要改變原有的反饋系統(tǒng),但也是成本最高,功耗最高的辦法。任何一款LDO都有一項(xiàng)指標(biāo):噪音抑制比。

                經(jīng)過LDO之后,紋波一般在10mV以下。

                4、在二極管上并電容C或RC

                

                二極管高速導(dǎo)通截止時(shí),要考慮寄生參數(shù)。在二極管反向恢復(fù)期間,等效電感和等效電容成為一個(gè)RC振蕩器,產(chǎn)生高頻振蕩。為了抑制這種高頻振蕩,需在二極管兩端并聯(lián)電容C或RC緩沖網(wǎng)絡(luò)。電阻一般取10Ω-100Ω,電容取4.7pf-2.2nf.

                在二極管上并聯(lián)的電容C或者RC,其取值要經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)才能確定。如果選用不當(dāng),反而會(huì)造成更嚴(yán)重的振蕩。

                5、二極管后接電感(EMI濾波)

                這也是常用的抑制高頻噪聲的方法。針對產(chǎn)生噪聲的頻率,選擇合適的電感元件,同樣能夠有效地抑制噪聲。需要注意的是,電感的額定電流要滿足實(shí)際的要求。


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