LED電源技術(shù)調(diào)研

1、led電源技術(shù)調(diào)研摘要：本文首先通過對led電源的現(xiàn)狀分析，然后結(jié)合led的特點進(jìn)行分析，論述。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)出led電源的技術(shù)參數(shù)要求。本文可作為后續(xù)led電源設(shè)計開發(fā)工作繼續(xù)進(jìn)行的理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn) led vi曲線 效率 光通量效率曲線 恒流 功率因數(shù) emc ² led電源的現(xiàn)狀分析1）led電源的現(xiàn)狀led電源也是一個配套產(chǎn)品,現(xiàn)在做led電源的人確實很多,但是能做好的卻不多。主要原因：1. 生產(chǎn)led照明及相關(guān)產(chǎn)品的公司的技術(shù)人員對開關(guān)電源的了解不夠，做出的電源是可以正常工作，但一些關(guān)鍵性的評估及電磁兼容的考慮不夠，還是有一定得隱患。2. 大部分led電源生產(chǎn)企業(yè)都

2、是從普通的開關(guān)電源轉(zhuǎn)型過來做led電源，對led的特點及使用認(rèn)識還不夠。3. 現(xiàn)在關(guān)于led的標(biāo)準(zhǔn)幾乎沒有，大部分都是參考開關(guān)電源和電子整流器的標(biāo)準(zhǔn)。4. 現(xiàn)在大部分led電源沒有統(tǒng)一，所以量大部分都比較小。采購量小，價格就偏高，而且元器件供應(yīng)商也不太配合。    在市場led產(chǎn)品如火如荼的發(fā)展態(tài)勢下，就led驅(qū)動電源企業(yè)而言，目前面臨幾個挑戰(zhàn)。1. led電源的穩(wěn)定性：寬電壓輸入，高溫和低溫工作，溫度保護(hù)等問題都沒有一一解決。2. 首先是驅(qū)動電路整體壽命，尤其是關(guān)鍵器件如：電容在高溫下的壽命直接影響到電源的壽命。3. 是led驅(qū)動器應(yīng)挑戰(zhàn)更高的轉(zhuǎn)換效率，尤其是在

3、驅(qū)動大功率led時更是如此，因為所有未作為光輸出的功率都作為熱量耗散，電源轉(zhuǎn)換效率的過低，影響了led節(jié)能效果的發(fā)揮。4. 目前在功率較小(1-5w)的應(yīng)用場合，恒流驅(qū)動電源成本所占的比重已經(jīng)接近1/3，已經(jīng)接近了光源的成本，一定程度上影響了市場推廣。² 選擇和設(shè)計led電源必須考慮的問題1）led的特點分析：led由于環(huán)保、壽命長、光電效率高等眾多優(yōu)點，近年來在各行業(yè)應(yīng)用得以快速發(fā)展，led的驅(qū)動電源更成了關(guān)注熱點，理論上，led的使用壽命在10萬小時以上，但在實際應(yīng)用過程中，由于驅(qū)動電源的設(shè)計及驅(qū)動方式選擇不當(dāng)，使led極易損壞。led的具體特點有：1. led是電流隨電壓的變化

4、很大。2. led是電壓與溫度是變化成反比。3. led的光通量隨溫度的升高而降低。4. led的壽命隨溫度的升高而減小。5. led的正向vf值。下面以cree 7090xr-e為例進(jìn)行分析，下圖分別為：（圖1）是基本的參數(shù)；（圖2）為光通量與節(jié)溫的曲線；（圖3）為vi曲線。 圖（1） （圖2） （圖3）2）配套led的驅(qū)動電源要求根據(jù)led特點，使用配套電源時要注意：1. 根據(jù)led電流和電壓特點，比較理想的是使用恒流驅(qū)動。它能避免led正向電壓的改變而引起電流變動，同時恒定的電流使led的亮度穩(wěn)定。2. 另外，led光通量與溫度成反比，所以使用中應(yīng)盡量減少電源發(fā)熱和設(shè)計良好的散熱系統(tǒng)。從

5、而降低led的工作的溫度。3. 為了保證led的整體壽命必須將led的節(jié)溫控制在一定的范圍內(nèi)。根據(jù)電網(wǎng)的用電的特點，led特性的要求以及相關(guān)led產(chǎn)品，在選擇和設(shè)計led驅(qū)動電源時要考慮到以下幾點：1. 高可靠性led產(chǎn)品主要是有l(wèi)ed和電源，外殼，控制電路等組成。其中l(wèi)ed電源的好壞直接影響了產(chǎn)品的好壞。特別是led路燈產(chǎn)品，由于裝在高空，維修不方便，維修的花費也大。2. 高效率led是節(jié)能產(chǎn)品，驅(qū)動電源也要符合節(jié)能的要求。特別是電源安裝在燈具內(nèi)的結(jié)構(gòu)，尤為重要。因為led的發(fā)光效率隨著led溫度的升高而下降。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。可延緩le

6、d的光衰有利。3. 高功率因素參考日關(guān)燈電子整流器的要求25w功率的必須有高功率因素。4. 恒流驅(qū)動方式為了配合led的vi特性，所以led電源必須使用恒流驅(qū)動的方式。5. 浪涌保護(hù)led抗沖擊能力比較差，所以要加強這方面的保護(hù)。特別是一些裝在戶外的產(chǎn)品，由于電網(wǎng)負(fù)載的啟動和雷。因此led驅(qū)動電源要有抑制浪涌的侵入，保護(hù)led不被損壞的能力。6. 溫度保護(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. led電源壽命驅(qū)動電源的壽命要與led的壽命相配和。8. 安規(guī)和電磁兼容的要求。為是產(chǎn)品滿足各國標(biāo)準(zhǔn)及市場的要求。9. .工作環(huán)境問題：由于各個地方

7、的環(huán)境的不同。10. 軟啟動電路考慮到電源的工作方式，如果不加軟啟動電路，通電瞬間，輸出會有一個電壓尖峰。為更好的保護(hù)led，所以需要加軟啟動電路。12.溫度保護(hù)功能由于led的溫度直接影響到其壽命，所以必須對led的溫度加以控制。當(dāng)led的溫度達(dá)到一定值后，溫度保護(hù)開始起控，將led的功率減小，使其溫度降低。3）led 照明發(fā)展中一些爭議1. 擔(dān)心散熱不會很好解決散熱主要看我們設(shè)計的方式。在設(shè)計led 燈具長期受使用燈泡(點光源)結(jié)構(gòu)概念影響，總會認(rèn)為散熱解決難度高。沒有跡象表明只有設(shè)計像燈泡結(jié)構(gòu)才可以在照明市場廣泛采用，應(yīng)該拋開現(xiàn)有傳統(tǒng)概念，要有突破性的構(gòu)思與發(fā)展。傳統(tǒng)燈具結(jié)構(gòu)也是不斷發(fā)展

8、才會有現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)，圓體積比較符合真空需要，可以承受幾千高溫度，所以它可以設(shè)計比較集中的光源。led 只能承受150結(jié)溫度，現(xiàn)階段只要是led 價格可以接受的領(lǐng)域，都得到很好的應(yīng)用和發(fā)展。并沒有受到散熱條件的限制而不能采用led。溫度，通常很多要求led 產(chǎn)品表面溫度50以內(nèi)，這種心態(tài)是不對的。要看我們具體使用環(huán)境條件，在很多環(huán)境溫度不能保證在25，要實現(xiàn)產(chǎn)品表面50顯然是困難的。在設(shè)計led 產(chǎn)品時最需要考慮led 結(jié)溫度。如果表面溫度很低，熱量未散出，結(jié)溫度超過合理值，很顯然這產(chǎn)品設(shè)計是很失?。》催^來，led 產(chǎn)品設(shè)計的散熱熱阻很小，結(jié)溫度保持在合理范圍內(nèi)，即使產(chǎn)品外殼溫度達(dá)到了70，我認(rèn)為

9、也是可以接受的。2. 擔(dān)心安規(guī)問題led 沒有明確的文件遵循，不會影響led 進(jìn)程。很多產(chǎn)品沒有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，不都發(fā)展的好好的嘛！ led 電源與現(xiàn)行的電壓開關(guān)電源產(chǎn)品在安規(guī)方面不會有太大區(qū)別，安全規(guī)定適用led 產(chǎn)品，只是光源不同，沒有本質(zhì)的區(qū)別。就算新出臺針對led 安全規(guī)定，也一定是有利于led 未來發(fā)展方向，不可能出現(xiàn)限制條款。3擔(dān)心使用電解電容壽命短影響led 進(jìn)程我們不能拿電解電容壽命判定led 產(chǎn)品壽命，理論值與實際值會相錯很遠(yuǎn)，宣傳中l(wèi)ed 有10 萬小時壽命，這一理論值很難得到印證。電解電容在現(xiàn)有的燈具廣泛應(yīng)用，也沒有看到會有那么嚴(yán)重的后果。電子產(chǎn)品不可能保證100%不損壞，le

10、d 產(chǎn)品也是一樣，其它器件壽命落后于led器件，市場會迫使電解電容更新或新器件誕生。不會影響led 照明發(fā)展進(jìn)程,擔(dān)心實屬多余。led可以承受合適的脈動直流驅(qū)動，在某些領(lǐng)域可以不需要濾波。² 發(fā)展趨勢未來led 肯定是需要恒流方式點亮。led 照明是新型產(chǎn)業(yè)，沒有可參考模式，需要原創(chuàng)設(shè)計才可以迎合市場需求，市場的初創(chuàng)需求顯得非常重要。更需要的是驅(qū)動新概念，突破性驅(qū)動設(shè)計概念是指引led 照明線路設(shè)計，及ic規(guī)劃設(shè)計未來的基礎(chǔ)。為led 照明應(yīng)用設(shè)計奠定堅實的基礎(chǔ)。1）前沿技術(shù)ic的發(fā)展趨勢1. 隨著全球的對節(jié)能要求的提高，對led產(chǎn)品的效率也相應(yīng)的要求比較高。一些ic設(shè)計企業(yè)也加大投

11、入努力的提高產(chǎn)品的效率?，F(xiàn)階段dc to dc的效率最高已可以做到97.2. 由于一些燈具和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的限制，為滿足更小空間，更大功率。ic工作頻率也是進(jìn)一步提升?，F(xiàn)階段ic的工作頻率都達(dá)到了5mhz.3. ic的耐溫也進(jìn)一步提升，現(xiàn)階段的ic的節(jié)溫都可以達(dá)到1604. 隨著led產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，ic設(shè)計對led相應(yīng)的應(yīng)用和保護(hù)考慮的越來越全面?，F(xiàn)階段已經(jīng)針對led應(yīng)用，增加了，恒流功能；過溫保護(hù)；調(diào)光功能；寬電壓輸入；溫度控制端口；過壓保護(hù)等。5. 在ic設(shè)計中更充分考慮電磁兼容的需求，并開發(fā)出了一些新的技術(shù)。如：增加抖頻技術(shù)抑制emi。6. 隨著電網(wǎng)對功率因數(shù)的要求，ic前沿設(shè)計也在努力的改善功

12、率因數(shù)。2）led應(yīng)用的發(fā)展1. 針對led的特點開發(fā)一系列恒壓恒流控制電子電路，利用集成電路技術(shù)將每顆led的輸入電流控制在最佳電流值，使得led能獲得穩(wěn)定的電流，并產(chǎn)生最高的輸出光通量。led驅(qū)動電路在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動的情況下最好能控制led電流的大小。2. led驅(qū)動電路具有智能控制功能，使led的負(fù)載電流能夠在各種因素的影響下都能控制在預(yù)先設(shè)計的水平上。當(dāng)負(fù)載電流因各種因素而產(chǎn)生變化時，初級控制ic可以通過控制開關(guān)使負(fù)載電流回到初始設(shè)計值上。3. 在控制電路電路設(shè)計方面，要向集中控制，標(biāo)準(zhǔn)模塊化，系統(tǒng)可擴展性三方面發(fā)展。4. 在目前l(fā)ed光效和光通量有限的情況下，充分發(fā)

13、揮led色彩多樣性的特點，開發(fā)變色led燈飾的控制電路。² 設(shè)計led電源的整體思路已經(jīng)介紹過led電源的需要注意的地方及對整個產(chǎn)品的重要性，首先，我們了解一下我們常用的led電源的幾種工作方式參考（圖4） 圖4設(shè)計led驅(qū)動電源的理念1. led的vf電壓都很低，一般vf =1.8-3.8v，普通led的if在13-20 ma ；大功率led的if在300-1400ma；因此led電源的輸出電壓是vf xn或vf x1, if恒流在13-1400ma。2. 大功率led是低電壓、大電流的驅(qū)動器件，其發(fā)光的強度由流過led的電流決定，電流越大，光強越高，功耗也越大，同樣發(fā)熱也越大，所

14、引起led的衰減也越大。所以在設(shè)計led電流時要綜合led光強和發(fā)熱，將led電流設(shè)定在最合適的值。3. 隨著大功率led的發(fā)展和應(yīng)用的日益廣泛，功率型led驅(qū)動顯得越來越重要。對于用市電驅(qū)動大功率led電源。還需要解決隔離、pfc（功率因素校正）問題。4. 設(shè)計led電源是一定要考慮到通用性和兼容性。例如：1x3w、3xw、1w應(yīng)該是可以采用統(tǒng)一的方案和pcb等。5. 在led領(lǐng)域，要體現(xiàn)出節(jié)能和長壽命的特點，led電源也要與其匹配。6. 作為一個設(shè)計人員不僅要設(shè)計好的產(chǎn)品，而且要將成本控制在盡量低的范圍內(nèi)。這就需要工程師對元器件的價格和生產(chǎn)工藝有一定的了解。² 現(xiàn)階段重點要做的工

15、作及要解決的問題1）、日關(guān)燈電源項目的相關(guān)工作首先從我們分析一下目前市場推廣的一些方案：電路結(jié)構(gòu)優(yōu)點缺點1. 遲滯型轉(zhuǎn)換器，電路結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。2. 體積可以做得比較小，可以直接裝到光源底部。3. 價格相對便宜點。4. 效率較高。1. 輸出電流誤差比較大，達(dá)到102. 不隔離的輸出為高壓。3. 功率因數(shù)不容易做得較高。4. 電路的穩(wěn)定性不夠。1. buck電路結(jié)構(gòu)，性能相對穩(wěn)定2. 體積可以做得比較小，可以直接裝到光源底部。3. 電路采用雙閉環(huán)控制，恒流精度可以做得比較高可達(dá)到4。1. 價格比較高。2. 設(shè)計相對比上一種復(fù)雜。3. 功率因數(shù)不容易做得較高。4. 不隔離的輸出為高壓。 1.

16、功率因數(shù)可以做的比較高可達(dá)到0.9以上。2. 初次級為隔離相對安全。3. 電路采用單級pfc反激電路，性能穩(wěn)定。4. 恒流精度可以做得較高。1. 電路設(shè)計比較復(fù)雜2. 變壓器不好設(shè)計。3. 價格相對第一種高4. 效率相對不夠高1. 反激電路結(jié)構(gòu)，性能穩(wěn)定。2. 初次級為隔離相對安全。3. 恒流精度可以做得較高。4. 價格相對便宜。1. 電路設(shè)計比較復(fù)雜。2. 功率因數(shù)相對較低。3. 效率相對較低。目前，我司采用的是第一種方案，此種方案優(yōu)點很明顯，但缺點也很突出。在新的電源還沒有開發(fā)出來時，建議暫時使用此種電源。通過以上對比我們不難看出，第三種電路是比較合適的方案。但第三種方案結(jié)合日光燈外殼還有

17、一些問題有待解決。主要問題有：1. 電源的整體高度偏高，不容易安裝。2. 由于是裝在燈殼里面，電解電容的使用壽命不夠。3. 初次級高壓絕緣問題。4. 認(rèn)證問題。5. 不用去掉傳統(tǒng)的電子整流器和啟輝器，直接使用的問題。針對以上問題，后期的工作重點就是解決以上問題。1. 目前按照照通用的變壓器結(jié)構(gòu)，是不容易將高度做的比較低。解決此問題可以采用兩種方法：a 用兩個變壓器，采用串并聯(lián)的方式。 b 采用平面變壓器結(jié)構(gòu)，可以降低高度。2 由于普通的電解電容的壽命，受電解液和溫度的限制，所以使用電解電容有可能會影響到產(chǎn)品的壽命。因為電解電容在電源里面主要的作用就是濾波，是輸出電壓比較平穩(wěn)。但led不一定要平

18、穩(wěn)的直流電才可以點亮，所以可以采用一些容量較大的無極性瓷片電容。來解決電容壽命及整個電源壽命的問題。3. 由于led散熱的需要和外觀的要求，日光燈的外殼大都采用金屬結(jié)構(gòu)的。這就得高壓比較難通過。要解決此問題： a 電源本身高壓必須通過。主要影響高壓的元件就是變壓器，變壓器次級采用三重絕緣線基本上就可以解決電源本身高壓的問題。 b 初級的器件（電源）必須與次級（外殼和光源部分）有足夠的距離。按照我國電壓的要求距離至少要大于6.5mm。由于外殼內(nèi)部空間有限要保證大于6.5mm的距離，只有通過采用絕緣材料隔離和將電源整體灌膠的方式。另外，膠水有一定得導(dǎo)熱性，灌膠以后可是使整個燈具的熱更平均，這樣不僅

19、有利于解決高壓的問題也會讓電源更加穩(wěn)定。4. 通過跟認(rèn)證機構(gòu)的了解，目前關(guān)于led日光燈的標(biāo)準(zhǔn)還沒有，做認(rèn)證時都是參考led電子整流器的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)電子整流器的標(biāo)準(zhǔn)led日光燈必須滿足諧波、功率因數(shù)(pfc)、電磁兼容（emc）、安全等的要求。所以在前期設(shè)計時，必須考慮到以上的要求，并增加相關(guān)的電路。5. 首先了解一下日光燈工作特點：a 日光燈管兩端裝有燈絲，玻璃管內(nèi)壁涂有一層均勻的薄熒光粉，管內(nèi)被抽成真空度，充入氖氣，同時還注入微量的液態(tài)水銀。當(dāng)通電后，電壓通過啟輝器產(chǎn)生一個400-600v，100ma，持續(xù)時間1s左右高壓使燈絲發(fā)熱，同時使氖氣發(fā)光。由于燈絲發(fā)熱時里面的液態(tài)水銀蒸發(fā)。從而使燈

20、管兩端導(dǎo)通點亮。圖五為啟輝器接線示意圖 圖五要想直接替代電子整流器或啟輝器，啟動瞬間的電源必須能承受600v以上的交流電壓，不損壞。為了使600v的高壓不至使電源損壞：a 將電源輸入電壓設(shè)計在600v以上工作，就目前的技術(shù)及元器件的市場看，還是有很大的難度，成本也會比較高。b 將這個600v，電流100ma，持續(xù)時間1s的能量鉗位在265v以下。這樣相對容易實現(xiàn)。二）、 路燈配套電源項目目前，市場上電源的工作方式主要有兩種：第一種是整體恒流。第二種是逐路恒流。這兩種工作方式各有優(yōu)缺點：整體恒流逐路恒流優(yōu)點缺點優(yōu)點缺點1. 成本比較低。2. 電磁兼容容易處理。3. led光源板容易設(shè)計，可以直接

21、并聯(lián)。4. 整體效率高可以達(dá)到90以上5. 接線容易，光源板只需要2根導(dǎo)線就可以了。1.對led的vf值一致性要求很高，否則會造成電流不平衡，從而損毀。1.對led的vf一致性要求不高，而且每一路電流很平均。led工作比較可靠。1. 成本比較高。2. 電磁兼容不容易處理。3. 整體效率不高最高達(dá)到854. 接線容易，光源板只需要2根導(dǎo)線就可以了。從以上對比可也看出，逐路恒流雖然缺點比較多，成本也比較高。但是它能真正的起到保護(hù)led和延長led的壽命，所以我認(rèn)為逐路恒流才是未來的趨勢。在此我選擇的是逐路恒流的工作方式：由于led路燈是使用在戶外，為配合客戶及市場的要求。結(jié)合產(chǎn)品主要是的特點。我認(rèn)為要做好led路燈電源的難點主要是高壓部分的設(shè)計，具體有：1. 高穩(wěn)定性，高功率因數(shù)。2. 長壽命，至少達(dá)到5000小時以上。3. 較高的整體效率。4. 超強的環(huán)境適應(yīng)能力。如工作環(huán)境溫度-20-60度 雷擊4kv等。5. 防水等級要達(dá)到ip66以上。針對以上問題，后期的工作重點就是