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通用照明商场中的高亮度LED驱动应战

来源:http://www.401ai.com 责任编辑:ag环亚娱乐平台 2018-10-15 12:58

  通用照明商场中的高亮度LED驱动应战

  文章来历:安森美半导体

   近年来,跟着绿色环保集体不断扩大节能环保界限,各个规范规范安排不断发布新的能效规范,一起,终端产品不断向更高集成度和更小尺度的方向开展,下降动力耗费、进步动力运用功率已经成为全球许多国家的政府、职业安排、半导体公司、电子产品制作商及消费者所一起重视的一项焦点。

假如咱们审视各个运用范畴的电能耗费,依据估计,全球大约有19%的电能是用于照明。这部分的电能耗费份额相当可观,有鉴于此,业界不断致力于寻求面向通用照明商场的愈加节能高效的照明解决计划。

通用照明商场的不同光源比照

从详细运用来看,通用照明商场包含的范畴十分广泛,包含建筑物照明、标志、景象照明、零售、信号灯、大街照明和住所照明等。在通用照明商场,现在常用的光源包含白炽灯、紧凑型荧光灯(CFL)、线性荧光灯、高强度气体放电灯(HID)以及新式的高亮度发光二极管(HB LED)等。

假如咱们依据能效基准对不同光源进行比较,那么用于衡量照明的一个重要方针就是总输出流明与输入功率比,以每瓦流明数(lm/W)来衡量,称作能效(efficacy)。在不同的照明解决计划中,白炽灯的能效相对较低。关于规范的60 W白炽灯而言,其能效规模介于10至13 lm/W之间(总输出为600至800 lm)。相对而言,CFL的能效要高得多,典型能效达55至60 lm/W。不过,CFL归于全方向照耀,装置在灯具中时,光会被直射、反向或遮盖,然后带来光损耗,使得55 lm/W的CFL灯具的净能效仅在28至50 lm/W之间。其它的光源,如HID也具有着比白炽灯更高的能效,1款100 W金属卤素HID灯大约可以发作8,000流明的输出,即能效在80 lm/W;不过,象CFL相同,HID的光输出是全方向,在灯火投射途径上会有许多的损耗。

  



图1:不同光源的能效开展趋势比照

  



比较较而言,LED是一种新式的光源技能。最常见的白光LED是镀磷(激起时会发黄光)的蓝色LED。LED具有着越来越高的能效,业界近期声称的最强的白光LED研制才能达到了132至136 lm/W,色温达(4,500-6,000K)。实际上,近年来,业界在将LED用于通用照明商场的爱好不断添加。关于通用照明而言,LED具有许多具有吸引力的特性。例如,它本质上是一种低压器材,它们体积细巧,发作定向光,可以发作多种颜色以及白光。它们发作红外(IR)或紫外(UV)辐射,并且由于它们是固态器材,它们在机械上很强固并且不含汞,在恰当地规划和运用时可以具有超越5万小时的作业寿数周期。与寿数为1千小时的规范白炽灯比较,LED的寿数就要长得多。关于需求长期接连作业、可能的用量有限、具有许多极点运用环境的照明运用而言,或者是在地理上难于挨近或毛病停机本钱昂扬的运用中,LED的这些特性就特别具有吸引力。这样一来,高亮度LED已经在多种运用中开端代替白炽灯;其间白日可见的运用包含轿车中心泊车正告灯和交通信号灯。

LED通用照明要求及LED驱动应战

关于LED在通用照明中的运用,需求从体系的视点来剖析其要求。总的来看,LED固态照明体系触及以下要求:

* LED光源:光源紧凑高效,供给广大规模的颜色和输出功率
* 电源变换:将沟通墙式插座、电池、太阳能电池的电源高效地变换至安全的低压直流电源
* 操控和驱动:选用电子电路对LED进行稳压和操控
* 热办理:为了完成更长的作业寿数,结点温度操控十分重要,需求剖析散热
* 光学器材:将光聚集至需求它的当地要求运用透镜或导光资料

在开发高能效的LED通用照明解决计划时,这几方面的要求都十分重要。其间,LED操控和驱动是本文评论的要点。关于LED驱动而言,它面对的首要应战就在于LED的非线性。这首要体现在LED的正向电压会跟着电流和温度而改动,不同LED器材的正向电压会有差异,LED色点会跟着电流和温度而漂移,并且LED有必要在规范要求的规模内作业然后完成牢靠作业。而LED驱动器的首要效果,就是在作业条件规模内约束电流,而不管输入条件和正向电压怎么改动。图2显现的是LED驱动器的根本作业电路暗示图。
 

  



图2:LED驱动器的根本作业电路暗示

  



关于LED驱动电路而言,除了进行恒流稳流,还面对着其它一些要害要求。例如,假如需求LED调光,则需求供给脉宽调制(PWM)技能,而用于LED调光的典型PWM频率是1至3 kHz。此外,LED驱动电路的功率处理才能有必要足够,且功用强固,可以接受多种毛病条件,并且要易于完成。值得一提的是,由于LED在最合适电流时一直处于导通状况,所以其颜色不会漂移。

由于体系中需求运用的LED数量常常不止一个,这就触及到对LED进行装备的问题。一般来说,强烈建议驱动单串LED,由于这样可以供给最佳的电流匹配,而与正向电压改动或输出电压漂移无关。当然,用户也可以并联或串联、并联穿插衔接等方法来装备LED。假如选用并联装备,电路就需求匹配的LED正向电压;假如某个LED失效开路,其它LED可能会被过驱动。相应地,选用多路并联或串联、并联穿插衔接技能,可用于测验减轻发作毛病的危险。

LED驱动运用示例

依据详细运用的不同,LED可能会选用不同的电源来供电,如沟通线路、太阳能板、12 V轿车电池、直流电源或低压沟通体系,乃至是依据碱和镍的电池或锂离子电池等。

1)选用沟通离线电源为LED供电

在选用沟通离线电源为LED供电的运用中,触及到许多不同的运用场合,如电子镇流器、荧光灯代替、交通信号灯、LED灯泡、大街和泊车照明、建筑物照明、妨碍灯和标志等。在这些从沟通主电源驱动大功率LED的运用中,有两种常见的电源变换技能,即在需求电流阻隔(galvanic isolation)时运用反激变换器,或在不需求阻隔时运用较为简略的降压拓扑结构。

在反激变换器方面,依据输出功率的不同,可以选用安森美半导体的不同反激变换器。例如,安森美半导体的NCP1013合适于功率高达5 W(电流为350 mA、700 mA或1 A)的紧凑型规划运用,NCP1014/1028可以供给高达8 W的接连输出功率,而NCP1351则合适于大于15 W的较大功率通用运用。ag88环亚娱乐

以NCP1014/1028为例,这是安森美半导体推出的离线式PWM开关稳压器,具有集成的700 V高压MOSFET,均选用350 mA/22 Vdc变压器规划及700 mA/17 Vdc装备,输入电压规模为90至265 Vac,具有输出开路电压钳位、选用频率抖动削减电磁搅扰(EMI)信号以及内置热封闭维护等特性,合适于LED镇流器、建筑物照明、显现器背光、标志和通道照明及作业灯等运用。NCP1014/1028的运用规划暗示图如下面的图3所示。值得一提的是,这规划具有开路输出维护功用,会在开路时将输出钳位至24 V电压。在这规划中,电流和开路电压可以经过简略地改动电阻/齐纳二极管组合来调整。值得一提的是,假如针对230 Vac沟通线路运用另一种可选变压器,则NCP1014可以供给高达19 W的功率,NCP1028可以供给高达25 W的功率。

  



图3:安森美半导体离线式第二代LED驱动器NCP1014/1028的运用暗示图

  
在照明运用中,假如输出功率要求高于25 W,LED驱动器则面对着功率因数校对(PFC)的问题。例如,欧盟的世界电工委员会(IEC)针对照明(功率大于25 W)的要求中具有针对总谐波失真(THD)的规则。而在美国,动力部动力之星项目固态照明规范中对PFC带有强制性要求(而不管是何种功率等级),即针对住所运用部分要求功率因数高于0.7,而针对商业运用部分要求功率因数高于0.9。这规范归于自愿恪守的规范,并非强制性要求,但有些运用可能需求杰出的功率因数。例如,公营事业组织将推进LED的大规模运用,运用在公用设施等级的LED可望具有较高功率因数;并且公营事业组织具有或供给LED街灯效劳时,LED是否具有较高功率因数(一般大于0.95)取决于公营事业组织的志愿,假如他们情愿,则相应的LED驱动解决计划有必要满意这方面的要求。

  




图4:需求PFC的LED驱动运用中不同架构比照

  


在这类可能需求选用PFC操控器的运用中,传统的解决计划是PFC操控器+PWM操控器的两段式计划。这种计划支撑模块化,且认证简略,但在总体能效方面会有折衷,如假定沟通-直流(AC-DC)段的能效为87%至90%,直流-直流(DC-DC)段能效为85%至90%,则总能效仅为74%至81%。跟着LED技能的继续改善,这种架构估计将转化为愈加优化、更高能效的计划。依据要求的不同,有多种可供挑选的计划,如:PFC+非阻隔降压、PFC+非阻隔反激或半桥LLC、NCP1651/NCP1652单段式PFC计划。

另一方面,如上所述,在不需求阻隔的运用中,可以选用较为简略的降压拓扑结构,这种结构所运用的电感比变压器小得多,并且只需求很少的元件来完成这种解决计划。这种架构选用的是峰值电流操控(PCC)形式,作业在深度接连导电形式(CCM)。这种架构具有多种优势,如可以消除运用大电解输出电容、具有杰出稳流的简略操控原理,以及可以充分利用安森美半导体的动态自供电(DSS)技能才能来直接从沟通线路为驱动器供电。

图5显现的是安森美半导体NCP1216 PWM电流形式操控器的运用规划暗示图。



图5:选用峰值电流操控的NCP1216非阻隔型离线式LED驱动运用

  


它充分利用高压工艺技能的优势,从沟通主电源直接为操控器供电,进一步简化了电路。这规划合适120 Vac条件,若要用于230 Vac条件,则需求改变少量元件,如功率FET和电容。由于这是一种非阻隔型AC-DC规划,所以存在高压。并且这是一项起浮规划,IC和LED并非对地参阅。在对器材进行供电之前,LED有必要衔接至电路板。

关于这类降压操控方法而言,当操控的LED数量削减时,它的一项约束就会呈现,由于这时占空比会变得极窄。并且开关操控器在电流被感测到之前会有200至400 ns的前沿消隐电路。在这种情况下,有必要下降开关频率来习惯正常操作,并经过半波整流输入电路将电压保持在最低值。在这种方法中,根本架构可以经过元件修改来容易扩展,然后也能驱动更长的LED串。

2)选用宽输入规模的直流-直流(DC-DC)电源为LED供电



表1:宽输入规模的DC-DC LED运用

  

有一系列高亮度LED运用作业在8至40 VDC规模的电源,这些电源包含铅酸电池、12-36 VDC适配器、太阳能电池以及低压的12 和24 VAC沟通体系。这类的照明运用许多,如活动式照明、景象和路途照明、轿车和交通照明、太阳能供电照明,以及陈列柜照明等。
即便方针是选用恒定电流驱动LED,首先要了解的事情就是运用的输入和输出电压改动。LED的正向电压由资料特性、结温度规模、驱动电流和制作容限决议。凭仗这些信息,就可以挑选恰当的线性或开关电源拓扑结构,如线性、降压、升压或降压-升压等。而安森美半导体的NCP3065/3066是一种多形式LED操控器,它集成1.5 A开关,可以设置成降压、升压、回转(降压-升压)/单端初级电感变换器(SEPIC)等多种拓扑结构。NCP3065/3066的输入电压规模为3.0至40 V,具有235 mV的低反应电压,作业频率可调理,最高250 kHz。其它特性包含:能进行逐周期电流约束、不需求操控环路补偿、可选用一切陶瓷输出电容作业、具有模仿和数字PWM调光才能、发作磁滞时内部热封闭等。

  



图6:安森美半导体NCP3065在LED恒流降压操控运用中的暗示图

  
为LED供给维护

如前所述,LED是一种运用寿数极长的光源(可长达5万小时)。除了需求针对详细的LED运用挑选合适的LED驱动解决计划,还需求为LED供给恰当的维护,由于偶然LED也会失效。其原因多种多样,可能是由于LED前期失效,也可能是由于部分的拼装缺点或是因瞬态现象导致失效。有必要对这些可能的失效供给预防措施,特别是由于某些运用归于要害运用(毛病停机本钱高),或是安全攸关的运用(如头灯、灯塔、桥梁、飞行器、飞机跑道等),或是在地理上难于挨近的运用(维护困难)等。

在这方面,可以选用安森美半导体的NUD4700 LED分流维护解决计划。图7是这种分流维护解决计划的运用及原理暗示图。

  

  

  



图7:安森美半导体NUD4700 LED开路分流维护器的运用暗示图

  
在LED正常作业时,走漏电流仅为近100 μA;而在遭受瞬态或浪涌条件时,LED就会开路,这时NUD4700分流维护器地点的分流通道激活,所带来的压降仅为1.0 V,将带给电路的影响尽可能地减小。这器材选用节约空间的小型封装,规划用于1 W LED(额定电流为350 mA@ 3 V),假如散热处理恰当,也支撑大于1 A电流的操作。

总结

相较于白炽灯等传统光源,LED具有能效高、寿数长、指向性好等许多优势,越来越受业界喜爱用于通用照明商场。而LED在通用照明商场的运用触及多方面的要求,需求从体系的视点去考虑,如光源、电源变换、LED操控和驱动、散热和光学等。本文以LED驱动为要点,剖析了通用照明商场中LED驱动面对的应战,并结合安森美半导体的高性能LED驱动解决计划,探讨了不同的LED驱动运用示例,如经过沟通阻隔电源为LED供电和经过宽输入规模DC-DC电源为LED供电等;最终,还介绍了可以用于需求高牢靠性和继续性的LED运用中的安森美半导体LED分流维护解决计划。

  

  

  

  

  

  

  

  

  

   通用照明高亮度LEDLED驱动