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深圳电路板抄板能够有效调光的LED灯设计方案

 

    2009年12月3日,美国能源局(DOE)为一体化LED灯项目发布了“能源之星”规格的最终版,规定在美国应用的LED驱动器的功率因数必须优于0.7,而工业应用则预计要优于0.9。目前市场的许多产品尚不能满足这样的要求,因此未来需要用更先进的产品来进行替代。有两种方式可以实现功率因数校正(PFC),每种都要求在电源转换器的前端增加一些附加电路:简单的低成本无源PFC,以及更复杂的有源PFC。
    在更深入研究这些方法之前,需要强调的一点是为了获得“能源之星”评级, LED驱动必须是可调光的。
    一般而言,这就意味着其可调性会源于现有的基于切相工作原理的墙式电子调光器,这一原理最初是用来设计纯阻抗白炽灯。尽管其它调光方法,如线性0-10V调光或DALI也可能合乎要求,但是它们可能都仅限于高端工业类LED驱动器。
    到目前为止,切相调光器的应用相当广泛,很显然,能够有效调光的LED灯将具有极大的优势。由于市场上还有许多基于三端双向可控硅开关的低成本调光器,因此保证LED驱动器与所有类别相兼容是不现实的,特别是许多调光器仅采用基本设计,性能十分有限。基于这样的原因,“能源之星”项目仅要求LED驱动器厂商在一个网页中详细说明哪些调光器可以与其产品相兼容。
    在“能源之星” 规格中,值得注意的另外一个要求是LED的工作频率必须大于150Hz,以消除出现可见闪烁的可能性。这就意味着给LED供电的输出电流中不能带有任何大量的频率是线性频率(50Hz或60Hz)两倍的纹波。
    在如办公室照明、公共建筑和街区照明等离线应用中,越来越多的应用中采用LED照明,并且在未来几年里仍将保持这一趋势。在这些应用中,大功率LED会取代线性或大功率CFL荧光灯、HID灯以及白炽灯。这些应用需要一个LED驱动器,其典型功率范围为25W至150W。在许多情况中,LED负载都由一个的高亮度白光LED阵列组成,通常采用多种形式的芯片封装。用于驱动这些负载的DC电流通常至少为1安培。实际也有AC电流驱动的LED系统,但是一般认为DC系统可以为LED提供更理想的驱动条件。
    在LED照明设备中需要进行电流隔离,以防止在可以接触到的地方发生触电危险,这种危险在大多数情况下都可能发生,除非采用一个绝缘的机械系统。这是由于与日光灯照明设备等不需要通过绝缘来实现安全性的产品不同,LED芯片需要与金属散热器连接。为了实现良好的热传导性,需要在LED芯片和散热器之间形成热障,这样就无需通过添加绝缘材料来满足绝缘要求。因此,在LED驱动器内部形成绝缘就是最佳选择,同时也说明了电源转换器拓朴技术是可行的。
    尽管为通用照明应用而设计的基本LED驱动器相对简单,但是当需要切相调光(phase cut dimming)和功率因数校正等附加功能时,这种设计就将会变得非常复杂。不带功率因数校正功能的非调光LED驱动器一般包括一个离线开关电源,用其进行调节以实现恒流输出。这与标准离线开关电源和在AC-DC适配器中通用的型号并无太大差异。这种设计可以采用标准的SMPS(开关电源)电路拓朴,如降压、升压或反激式转换器等。
    2009年12月3日,美国能源局(DOE)为一体化LED灯项目发布了“能源之星”规格的最终版,规定在美国应用的LED驱动器的功率因数必须优于0.7,而工业应用则预计要优于0.9。目前市场的许多产品尚不能满足这样的要求,因此未来需要用更先进的产品来进行替代。有两种方式可以实现功率因数校正(PFC),每种都要求在电源转换器的前端增加一些附加电路:简单的低成本无源PFC,以及更复杂的有源PFC。
    在更深入研究这些方法之前,需要强调的一点是为了获得“能源之星”评级, LED驱动必须是可调光的。
    一般而言,这就意味着其可调性会源于现有的基于切相工作原理的墙式电子调光器,这一原理最初是用来设计纯阻抗白炽灯。尽管其它调光方法,如线性0-10V调光或DALI也可能合乎要求,但是它们可能都仅限于高端工业类LED驱动器。
    到目前为止,切相调光器的应用相当广泛,很显然,pcb抄板能够有效调光的LED灯将具有极大的优势。由于市场上还有许多基于三端双向可控硅开关的低成本调光器,因此保证LED驱动器与所有类别相兼容是不现实的,特别是许多调光器仅采用基本设计,性能十分有限。基于这样的原因,“能源之星”项目仅要求LED驱动器厂商在一个网页中详细说明哪些调光器可以与其产品相兼容。
    在“能源之星” 规格中,值得注意的另外一个要求是LED的工作频率必须大于150Hz,以消除出现可见闪烁的可能性。这就意味着给LED供电的输出电流中不能带有任何大量的频率是线性频率(50Hz或60Hz)两倍的纹波。
    在如办公室照明、公共建筑和街区照明等离线应用中,越来越多的应用中采用LED照明,并且在未来几年里仍将保持这一趋势。在这些应用中,大功率LED会取代线性或大功率CFL荧光灯、HID灯以及白炽灯。这些应用需要一个LED驱动器,其典型功率范围为25W至150W。在许多情况中,LED负载都由一个的高亮度白光LED阵列组成,通常采用多种形式的芯片封装。用于驱动这些负载的DC电流通常至少为1安培。实际也有AC电流驱动的LED系统,但是一般认为DC系统可以为LED提供更理想的驱动条件。
    在LED照明设备中需要进行电流隔离,以防止在可以接触到的地方发生触电危险,电路板克隆这种危险在大多数情况下都可能发生,除非采用一个绝缘的机械系统。这是由于与日光灯照明设备等不需要通过绝缘来实现安全性的产品不同,LED芯片需要与金属散热器连接。为了实现良好的热传导性,需要在LED芯片和散热器之间形成热障,这样就无需通过添加绝缘材料来满足绝缘要求。因此,在LED驱动器内部形成绝缘就是最佳选择,同时也说明了电源转换器拓朴技术是可行的。
    两种可能方案分别是反激式转换器或包括一个PFC级的多级转换器,然后是绝缘和降压级,最后是后端电流调整级。两种方案之中,反激式因其相对简易且成本较低,应用比较广泛。
    反激式转换器为许多应用提供了良好的解决方案(图1),然而,它却具有如下的局限性:有限的功率因数校正能力;在宽输入电压范围上效率有限;两倍线频(<150Hz))时的输出纹波很难消除;需要通过附加电路进行调光。
    图1:采用反激式转换器的LED调光。
    尽管多级设计(图2)的额外成本限制了其在高端产品中的应用,但这种设计却可以克服其中的一些问题。在较宽的AC输出电压范围内,其可以实现高功率因数和较低的总谐波失真(THD),从而使相同的LED驱动器可以利用110V、120V、220V、240V或277V的主电源供电。
    图2:采用多级转换器的LED调光。
    能够在很宽的范围上保持高效率,而不是使效率在一个特定线负载点上达到峰值,但在不同的条件下却又大幅下降。同时,它也更易于降低150Hz下的纹波输出,多级系统使其自身能够更加高效的采用不同的调光方式。
    本文其余部分将深入探讨宽电压输入范围、绝缘、可调光、稳压DC输出多级LED驱动设计原则,主要针对25W至150W范围的应用。该实例中的多级LED驱动器将分为三个部分:前端,功率因数校正(PFC)部分;绝缘和步降部分;后端,电流调制部分。