大功率LED照明恒流驅動電源的設計
在當今全球能源緊缺的環境下,節約能源已成為大勢所趨。同時,國家也大力倡導節能減排,已結束的2008年北京奧運會和即將到來的2010年上海世博會都不約而同地以綠色節能為主題,這就給中國LED照明產業的發展帶來了巨大的歷史機遇。大功率LED具有光效高、低功耗、壽命長、穩定性高、光色純、安全性好、可控性強等優點,正逐步取代以往的光源,開始廣泛運用于全彩顯示屏、交通信號燈、汽車車燈、背景光源、景觀照明、特種工作照明等,成為照明領域的新一代綠色光源。據國內有關機構預測,在奧運、世博的強力帶動下,中國LED照明市場規模將從2007年的48.5億元快速增長至2010年的98.1億元。有關專家分析認為,中國LED照明產業將在2010年前后迎來新的發展高峰。
本文引用地址:http://www.104case.com/article/181245.htm問題的提出
一般來說,大功率LED的功率至少在1W以上,目前比較常見的有1W、3W、5W、8W和10W。其被稱為“綠色光源”,正朝著大電流(300mA~1.4A)、高效率(60~120lm/W)、亮度可調的方向發展。然而,大功率LED的發光強度是由流過LED的電流決定的,電流過強會引起LED的衰減,電流過弱會影響LED的發光強度,因此LED驅動需要提供恒流電源,以保證大功率LED使用的安全性,還需要滿足預期的亮度要求,并保證各個LED亮度、色度的一致性。所以,傳統上用于驅動燈泡(鎢絲)、日光燈、節能燈、鈉燈等光源的電源并不適合直接驅動大功率LED。用市電驅動大功率LED也需要解決降壓、隔離、PFC(功率因素校正)和恒流問題,還需有較高的轉換效率。
目前,市場上有上千款關于大功率LED恒流驅動的專用芯片,國內有廣鵬 (ADDtek)、點晶(SITI)、晶(SCT)、華潤矽威(PT),國外有美國的超科(Supertex)、德州儀器(TI)、美信、國半、英國的捷特科(Zetex)等知名廠家。大多專用芯片采用遲滯型轉換器,低電壓輸入范圍,可升壓、可降壓、PWM控制、功率開關可內置或外置、輸出電流可以達到1.5A,內置過壓、欠壓、開路/短路和溫度保護電路等。
如圖1所示,遲滯型轉換器的關鍵特點是自振蕩,這意味著頻率將隨輸入電壓、LED電流和驅動LED數量的變化而變化。然而,這種轉換器經常運行在連續模式下,這意味著電感永遠不會飽和,也不會完全耗盡電流,MOSFET關斷后還繼續有電流維持LED亮度。但缺點是占空比和頻率不斷改變的情況下檢測電阻RCS呈現的阻抗是不一樣的,流經RCS的電流和LED實際電流相比不完全一致,檢測數據存在偏差。
圖1 遲滯型轉換器
在大功率LED照明工程領域中,需要100W以上大功率的恒流驅動電源,同時要求較高的效率和功率因數,目前市場上的E27、B22和GU10燈頭用LED驅動電源遠遠不能滿足大功率LED照明工程領域。
大功率LED的驅動電源設計考慮
從照明燈具發展歷史來看,幾乎沒有采用隔離方式。隔離方式設計勢必影響燈具驅動效率,也不符合未來節能降耗要求,所以LED照明不一定要采用隔離方式設計。
在大功率LED的串聯數量方面,流經大功率LED的電流不再受大功率白光LED串聯數量的限制。為了滿足不同的發光亮度需求,通過靈活地驅動多個大功率LED就可以實現。對于大功率白光LED的并聯使用,該類電路仍無法保證并聯分支LED的發光亮度一致性。但可以使用多個相同恒流電源,分路驅動不同的并聯分支LED,這樣就保證了并聯分支LED屬性一致性,從而可以解決發光亮度一致性的問題。
采用全部串聯方式要求LED驅動器輸出較高的電壓。當LED的一致性差別較大時,分配在不同LED兩端的電壓不同,但通過每顆LED的電流相同,LED的亮度一致。如采用恒流式LED驅動,當某一顆LED品質不良短路時,由于驅動器輸出電流保持不變,不影響余下所有LED正常工作。當某一顆LED品質不良斷開后,串聯在一起的LED將全部不亮。解決的辦法是在每個LED兩端并聯一個齊納管,不過,齊納管的導通電壓要比LED的導通電壓高,否則LED就不亮了。如廣鵬 (ADDtek)的大功率LED保護器A716、AMC7169和A720,分別是350mA、500mA和700mA LED保護器。如圖2所示,使用時將其與大功率LED并聯。
電源失效時負載斷開,這種功能在下列兩種情況下至關重要,即斷電和PWM調光。如圖2所示,在升壓轉換器斷電期間,負載仍然通過電感和二極管與輸入電壓連接。這樣即使電源已經失效,還會繼續產生一個小泄漏電流,極大縮短了LED的壽命。負載斷開在PWM調光時也很重要。在PWM空閑期間,電源已經失效,但是輸出電容器仍然與LED連接,它會通過LED放電,直到PWM脈沖再次打開電源。實施負載斷開電路時,最好在LED和電流傳感電阻器之間放置一個MOSFET。在路燈照明設計中,一般要求白天有自動關閉功能,可以在電路中間增加光敏電阻,在白天光線照射下阻值改變使那個MOSFET停止工作,當然也可以使后級DC/DC停止工作。
圖2 大功率LED保護器
在許多情況下,利用低頻(50~200Hz)PWM方式調節LED電流非常方便,通過控制脈沖寬度來調節亮度。這種調節方法的優點在于光譜保持不變,而采用幅度調節時,光譜會隨著流過LED電流的變化而改變。一般來說,低頻PWM調光電路的效率比線性LED調光電路更高。在路燈照明設計中,一般需要在半夜某時將路燈照度減低一半,節能降耗。可以在電路中間增加定時器,到時間輸出50%占空比即可功率減半。
防水設計,按使用環境分為戶外、戶內。目前的防水電源大多是以環氧樹脂作為防水密封填充材料,顏色主要為黑色,當然也有白色以及其他一些顏色。有少數廠家采用了其他的防水填充材料。重要的是它要能經得起高溫、冷凍、雨水以及一些腐蝕性物質的浸襲。
100W的LED路燈可以替代250W的高壓鈉燈,或300W的水銀燈。100W的LED路燈,其輸出光通量大約為6 250lm(經過二次光學設計,會有所損失),到達路面時的流明數仍為6000,而路面的平均照度可以達到16Lux(桿高12m)。250W高壓鈉燈的輸出光通量為20 000lm,但到達路面的流明數就只有7000,路面的照度大約為30~40Lux。由于顯色系數的差別,LED的照度修正系數為2.35倍,高壓鈉燈的修正系數為0.94倍。所以,100W的LED經過修正以后,地面的照度為37.6Lux,而高壓鈉燈修正后的照度為28.2~37.6Lux,二者相當。所以,100W的LED路燈可以取代250W的高壓鈉燈,LED路燈可以節能60%。
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