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1、精品文檔你我共享LED照明設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí) - 安森美培訓(xùn)資料發(fā)光二極管 (LED)繼在中小尺寸屏幕的便攜產(chǎn)品背光等應(yīng)用獲大量采用后,隨著它發(fā)光性能的進(jìn)一步提升及成本的優(yōu)化,近年來已邁入通用照明領(lǐng)域,如建筑物照明、街道照明、景觀照明、標(biāo)識(shí)牌、信號(hào)燈、以及住宅內(nèi)的照明等,應(yīng)用可謂方興未艾。另一方面, LED照明設(shè)計(jì)也給包括中國 工程師在內(nèi)的工程社群帶來了挑戰(zhàn),這不僅因?yàn)?LED照明的應(yīng)用范圍非常廣泛,應(yīng)用的功率等級(jí)、可以采用的驅(qū)動(dòng) 電源種類及電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等,也各不相同。工程師們迫切需要系統(tǒng)地學(xué)習(xí)及了解更多有關(guān) LED照明設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)。有鑒于此,安森美 半導(dǎo)體的產(chǎn)品應(yīng)用總監(jiān) Bernie Weir

2、先生近期專門撰寫相關(guān)培訓(xùn)資料,為工程師們傳授相關(guān)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí),內(nèi)容涉及 LED驅(qū)動(dòng)器的通用要求、電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率因數(shù)校正、電源轉(zhuǎn)換能效和驅(qū)動(dòng)器標(biāo)準(zhǔn),以及可靠性和使用壽命等其它問題,方便他們更好地設(shè)計(jì)入門及提高,從而更好地服務(wù)于 LED照明市場。限于篇幅,本文是該培訓(xùn)資料的摘要介紹。一、 LED驅(qū)動(dòng)器通用要求驅(qū)動(dòng) LED面臨著不少挑戰(zhàn),如正向 電壓會(huì)隨著溫度、 電流的變化而變化,而不同個(gè)體、不同批次、不同供應(yīng)商的 LED正向電壓也會(huì)有差異;另外, LED的“色點(diǎn)”也會(huì)隨著電流及溫度的變化而漂移。另外,應(yīng)用中通常會(huì)使用多顆 LED,這就涉及到多顆 LED的排列方式問題。各種排列方式中,首選驅(qū)動(dòng)

3、串聯(lián)的單串 LED,因?yàn)檫@種方式不論正向電壓如何變化、輸出電壓 (Vout) 如何“漂移”,均提供極佳的電流匹配性能。當(dāng)然,用戶也可以采用 并聯(lián)、串聯(lián) - 并聯(lián)組合及交叉連接等其它排列方式,用于需要“相互匹配的” LED正向電壓的應(yīng)用,并獲得其它優(yōu)勢。如在交叉連接中,如果其中某個(gè) LED因故障開路,電路中僅有 1 個(gè) LED的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)加倍,從而盡量減少對(duì)整個(gè)電路的影響。AAAAAA精品文檔你我共享圖 1:常見的 LED排列方式LED的排列方式及 LED光源的規(guī)范決定著基本的驅(qū)動(dòng)器要求。 LED驅(qū)動(dòng)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。

4、LED驅(qū)動(dòng)器基本的工作 電路示意圖如圖 2 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。圖 2:LED驅(qū)動(dòng)器的基本工作電路示意圖。值得一提的是,在 LED照明設(shè)計(jì)中, AC-DC電源轉(zhuǎn)換與恒流驅(qū)動(dòng)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(dú)存在,這種配置簡化安全考慮,并增加靈活性。LED驅(qū)動(dòng)器根據(jù)不同的應(yīng)

5、用要求,可以采用恒定電壓(CV) 輸出工作,即輸出為一定電流范圍下鉗位的電壓;也可以采用恒定電流 (CC)輸出工作,輸出的設(shè)計(jì)能嚴(yán)格限定電流;也可能會(huì)采用恒流恒壓 (CCCV) 輸出工作,即提供恒定輸出功率,故作為負(fù)載的 LED的正向電壓確定其電流??偟膩砜?, LED照明設(shè)計(jì)需要考慮以下幾方面的因素:輸出功率:涉及LED正向電壓范圍、電流及LED排列方式等電源: AC-DC電源、 DC-DC電源、直接采用AC電源驅(qū)動(dòng)功能要求:調(diào)光要求、調(diào)光方式( 模擬、數(shù)字或多級(jí) ) 、照明控制其他要求:能效、功率因數(shù)、尺寸、成本、故障處理( 保護(hù)特性 ) 、要遵從的標(biāo)準(zhǔn)及可靠性等更多考慮因素:機(jī)械連接、安裝

6、、維修/ 替換、壽命周期、物流等二、 LED驅(qū)動(dòng)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用 AC-DC電源的 LED照明應(yīng)用中,電源轉(zhuǎn)換的構(gòu)建模塊包括 二極管、開關(guān) (FET) 、電感及 電容及電阻等分立元件用于執(zhí)行各自功能,而脈寬調(diào)制 (PWM)穩(wěn)壓器用于控制電源轉(zhuǎn)換。電路中通常加入了變壓器的隔離型 AC-DC電源轉(zhuǎn)換包含 反激、正激及半橋等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),參見圖 3,其中反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是功率小于30 W的中低功率應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)選擇,而半橋結(jié)構(gòu)則最適合于提供更高能效/ 功率密度。就隔離結(jié)構(gòu)中的變壓器而言,其尺寸的大小與開關(guān)頻率有關(guān),且多數(shù)隔離型LED驅(qū)動(dòng)器基本上采用“ 電子 ”變壓器。AAAAAA精品文檔你我共享圖 3:常見的

7、隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用 DC-DC電源的 LED照明應(yīng)用中,可以采用的LED驅(qū)動(dòng)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。電阻型驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式易于設(shè)計(jì)、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(jì)且沒有EMC問題,還支持電流穩(wěn)流及過流保護(hù)(fold back) ,且提供外部電流設(shè)定點(diǎn),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(jìn)而控制電流的

8、流動(dòng)。圖 4:常見的 DC-DC LED驅(qū)動(dòng)方式。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(duì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括 降壓 (Buck) 、升壓AAAAAA精品文檔你我共享(Boost) 、降壓 - 升壓 (Buck-Boost) 或單端初級(jí)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(shí)采用降壓結(jié)構(gòu),如采用 24 Vdc 驅(qū)動(dòng) 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(shí)采用升壓結(jié)構(gòu),如采用12 Vdc

9、驅(qū)動(dòng) 6 顆串聯(lián)的 LED;而輸入電壓與輸出電壓范圍有交迭時(shí)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(dòng) 4 顆串聯(lián)的 LED,但這種結(jié)構(gòu)的成本及能效最不理想。采用交流 電源直接驅(qū)動(dòng) LED的方式近年來也獲得了一定的發(fā)展,其應(yīng)用示意圖參見圖5。這種結(jié)構(gòu)中,LED串以相反方向排列,工作在半周期,且LED在線路電壓大于正向電壓時(shí)才導(dǎo)通。這種結(jié)構(gòu)具有其優(yōu)勢,如避免 AC-DC轉(zhuǎn)換所帶來的功率損耗等。但是,這種結(jié)構(gòu)中LED在低頻開關(guān),故人眼可能會(huì)察覺到閃爍現(xiàn)象。此外,在這種設(shè)計(jì)中還需要加入LED保護(hù)措施,使其免受線路浪涌或瞬態(tài)的影響。圖 5:直接采用交流驅(qū)動(dòng)L

10、ED的示意圖。三、功率因數(shù)校正美國能源部 (DOE)“能源之星” (ENERGYSTAR?)固態(tài)照明 (SSL) 規(guī)范中規(guī)定任何功率等級(jí)皆須強(qiáng)制提供功率因數(shù)校正 (PFC)。這標(biāo)準(zhǔn)適用于一系列特定產(chǎn)品,如嵌燈、櫥柜燈及臺(tái)燈,其中,住宅應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)器功率因數(shù)須大于 0.7 ,而商業(yè)應(yīng)用中則須大于 0.9 ;但是,這標(biāo)準(zhǔn)屬于自愿性標(biāo)準(zhǔn)。歐盟的 IEC61000-3-2 諧波含量標(biāo)準(zhǔn)中則規(guī)定了功率大于 25 W 的照明應(yīng)用的總諧波失真性能,其最大限制相當(dāng)于總諧波失真 (THD)0.94 。雖然不是所有國家都絕對(duì)強(qiáng)制要求照明應(yīng)用中改善功率因數(shù),但某些應(yīng)用可能有這方面的要求,如公用事業(yè)機(jī)構(gòu)大力推動(dòng)擁

11、有高功率因數(shù)的產(chǎn)品在公用設(shè)施中的商業(yè)應(yīng)用,此外,公用事業(yè)機(jī)構(gòu)購入 / 維護(hù)街燈時(shí),也可以根據(jù)他們的意愿來決定是否要求擁有高功率因數(shù) ( 通常 0.95+) 。AAAAAA精品文檔你我共享圖 6:有源 PFC的應(yīng)用電路示意圖。PFC技術(shù)包括無源 PFC及有源 PFC兩種。無源 PFC方案的體積較大,需要增加額外的元件來更好地改變電流波形,能夠達(dá)到約 0.8 或更高的功率因數(shù)。其中,在小于 5 W至 40 W的較低功率應(yīng)用中,幾乎是標(biāo)準(zhǔn)選擇的 反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只需要采用無源元件及稍作 電路改動(dòng),即可實(shí)現(xiàn)高于 0.7 的功率因數(shù)。有源 PFC(見圖 6) 通常是作為一個(gè)專門的 電源轉(zhuǎn)換段增加到電路中來

12、改變輸入電流波形。有源 PFC 通常提供 升壓,交流 100 至 277 Vac 的寬輸入范圍下, PFC輸出電壓范圍達(dá)直流 450 至 480 Vdc 。如果恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì) PFC段,可以提供 91%到 95%的高能效。但增加了有源 PFC,仍然需要專門的 DC-DC轉(zhuǎn)換來提供電流穩(wěn)流。四、能效問題LED照明應(yīng)用的能效需要結(jié)合功率輸出來考慮。美國“能源之星”固態(tài)照明規(guī)范規(guī)定了照明器具級(jí)的能效,但并不涉及單獨(dú)LED驅(qū)動(dòng)器的能效要求。如前所述,采用AC-DC電源的 LED應(yīng)用可以采用兩段式分布拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),故可能采用外部AC-DC適配器供電。而“能源之星”的確包含有關(guān)單輸出外部電源的規(guī)范,其 2.0 版

13、外部電源規(guī)范于2008 年 11 月開始生效,要求標(biāo)準(zhǔn)工作模式下最低能效達(dá)87%,而低壓工作模式下最低能效達(dá)86%;在此規(guī)范中,功率大于100 W時(shí)才要求 PFC。AAAAAA精品文檔你我共享圖 7:美國能源部 2008 年秋季提出的 LED照明燈具能效研發(fā)目標(biāo)。而在采用 AC-DC電源的 LED應(yīng)用中,要提供更高的AC-DC轉(zhuǎn)換能效,就涉及到成本、尺寸、性能規(guī)范及能效等因素之間的折衷問題。例如,若使用更高質(zhì)量的元件、更低導(dǎo)通阻抗 (RDSon),就可降低損耗及改善能效;降低開關(guān)頻率一般會(huì)改善能效,但卻會(huì)增加系統(tǒng)尺寸。諸如諧振這樣新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供更高能效,卻也增加設(shè)計(jì)及元件的復(fù)雜度。如果我們將

14、設(shè)計(jì)限定在較窄的功率及 電壓范圍,則可以幫助優(yōu)化能效。五、驅(qū)動(dòng)器標(biāo)準(zhǔn)LED驅(qū)動(dòng)器本身也在不斷演進(jìn),著重于進(jìn)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(jí)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IEC61347-2-13 (5/2006)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)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(dāng)”/ 安全的工作故障時(shí)不冒煙或易燃AAAAAA精品文檔你我共享此外, ANSI C82.xxx LED 驅(qū)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn),如UL1310 (Class 2)、UL 60950、UL1012。此外, LED照明設(shè)計(jì)還涉及到產(chǎn)品壽命周期及可靠性問題。更詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)?jiān)L問安森美半導(dǎo)體網(wǎng)站 LED照明應(yīng)用專區(qū):??偨Y(jié):本文分享了安森美半導(dǎo)體產(chǎn)品應(yīng)用專家 Bernie Weir 先生的一些重要的 LED照明設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí),如驅(qū)動(dòng)器的通用要求、驅(qū)動(dòng)器電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率因數(shù)校正、電源轉(zhuǎn)換能效及驅(qū)動(dòng)器需要遵從的標(biāo)準(zhǔn)等問題,幫助 工程師更好地從事 LED照明設(shè)計(jì)。安森美半導(dǎo)體身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅解決方案供應(yīng)商,針對(duì)不同 LED照明應(yīng)用,不論其采用何種電源供電,均提

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