LED照明设计基础知识.pdf

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LED照明设计基础知识pdf,LED照明设计基础知识介绍
图1:常见的LED排列方式 LED的排列方式及LED光源的规范决定着基本的驱动器要求。LED驱动器的主 要功能就是在一定的工作条件范围下限制流过LED的电流,而无论输入及输出 电压如何变化。LED邪动器基本的工作电路小意图如图2所小,其中所谓的“隔 离”表示交流线路电压与LED(即输入与输出)之间没有物理上的电气连接,最常 用的是采用变压器来电气隔离,而“非隔离”则没有采用高频交压器来电气隔离 流 非隔离或隔离 主输 电源转换 驱动器 LED 图2:LED驱动器的基本工作电路示意图。 值得一提的是,在LED照明设计中,ACDC电源转换与恒流驱动这两部分电路 可以采用不同配置:1)整体式( (integra配置,即两者融合在一起,均位于照明灯 具内,这种配置的优势包括优化能效及简化安装等:2)分布式 distributed)配置, 即两者单独存在,这种配置简化安全考虑,并增加灵活性。 IFD驱动器根据不同的应用要求,可以采用恒定电压(CV)输出工作,即输出为 定电流范围下钳位的电压;也可以采用恒定电流(CC)输出工作,输出的设计 能严格限定电流;也可能会采用恒流恒压(CCCV)输岀工作,即提供恒定输出功 率,故作为负载的IED的正向电压确定共电流。 总的来看,LED照明设计需要考以下儿方面的因素 输出功率:涉及LED正向电压范围、电流及LED排列方式等 电源:AC-DC电源、DC-DC电源、直接采用AC电源驱动 1功能要求:调光要求、调光方式(模拟、数字或多级)、照明控制 其他要求:能效、功率因数、尺寸、成本、故障处理(保护特性)、要遵从的 标准及可靠性等 更多考虑因素:机械连接、安装、维修/替换、寿命周期、物流等 二、LED驱动电源的拓扑结构 采用ACDC电源的LED照明应用中,电源转换的构建模块包括二极管、开关 (FET)、电感及电容及电阻等分立元件用于执行各自功能,而脉宽调制(PWM) 稳压器用于控制电源转換。电路中通常加入∫变压器的隔离型AC-DC电源转换 包含反激、正激及半桥等拓扑结构,参见图3,其中反激拓扑结构是功率小于 30W的中低功率应用的标准选择,而半桥结构则最适合于提供更高能效/功率密 度。就隔离结构中的变压器而言,其尺寸的大小与开关频率有关,且多数隔离型 LED驱动器基本上采用“电子”变压器。 反激 000 正激 00 LLC半桥谐振拓扑结构 图3:常见的隔离型拓扑结构。 采用DC-DC电源的LED照明应用中,可以采用的LED驱动方式有电阻型、线 性稳压器及开关稳压器等,基本的应用示意图参见图4。电阻型驱动方式中,调 整与LED串联的电流检测电阻即可控制LED的正向电流,这种驱动方式易于设 计、成本低,且没有电磁兼谷(EMC)问题,劣势是依赖于屯压、需要筛选( binning) LED,且能效较低。线性稳压器同样易于设计且没有EMC问题,还支持电流稳 流及过流保护( fold back),且提供外部电流设定点,不足在于功率耗散问题,及 输入电压要始终高于正向电压,且能效不高。开关稳压器通过PWM控制模块不 断控制开关(FET)的开和关,进而控制电流的流动 In Transistor R日 Rset RI 电阻置 线性稳压罟 开关稳压詈 图4:常见的 DC-DC LED驱动方式。 开关稳压器具有更高的能效,与电压无关,且能控制亮度,不足则是成本相对较 高,复杂度也更高,且存在电磁干扰(EM)问题。 LED DO-DC开关稳压器常见 的拓扑结构包括降压(Buck)、升压( Boost)、降压-升压( Buck-Boc0t或单端初电 感转换器(SEPC)等不同类型。其中,所有工作条件下最低输入电压都大于LED 串最大电压时采用降压结构,如采用24Vdc驱动6颗串联的LED;与之相反, 所有工作条件下最大输入电压都小于最低输出电压时采用升压结构,如采用12 Vdc驱动6颗串联的LED;而输入电压与输出电压范围有交迭时可以米川降压 升压或 SEPIO结构,如采用12Vdc或12Vac驱动4颗串联的LED,但这种结构 的成本及能效最不理想。 采用交流电源直接驱动LED的方式近年来也获得了一定的发展,其应用示意图 参见图5。这种结构中,LED中以相反方向排列,工作在半周期,且LED在线 路电压大于正向电压时才导通。这种结构具有其优势,如避免AC-DC转换所带 来的功率损耗等。但是,这种结构中LED在低频开关,故人眼可能会察觉到闪 烁现象。此外,在这种设计中还需要加入LED保护措施,使其免受线路浪涌或 瞬态的影响。 七 AC 110v 50k1 平 LED串1导通 LED串2导通 图5:直接采用交流驱动LED的示意图 三、功率因数校正 美国能源部(DOE)¨能源之星”( NERGYSTARTM)固态照明(SSL)规范中规定任何 功率等级皆须强制提供功率因数校正(PFC)。这标准适用于一ˉ系列特定产品,如 嵌灯、橱柜灯及台灯,其中,住宅应用的LED驱动器功率因数须大于0.7,而商 业应用中则须大于0.9;但是,这标准属于自愿性标准。欧盟的IEC610003-2 谐波含量标准中则规定∫功率大于25W的照明应川的总谐波失真性能,其最大 限制相当于总谐波失真(THD)<35%,而功率因数PF094。虽然不是所有国家 都绐对强制要求照明应用中改善功率因数,但某些应用可能有这方面的要求,如 公用事业机构大力推动拥有高功率因数的产品在公用设施中的商业应用,此外, 公用事业机构购入/维护街灯时,也可以根据他们的意愿来决定是否要求拥有高 功率因数(通常>0.95+)。 450-480Vdc EMI Filter AC 100277Vac PFC PWM Controller Controller 图6:有源PFC的应用电路示意图。 PFC技术包括无源PFC及有源PFC两种。无源PFC方案的体积较大,需要增加 额外的元件来更好地改变电流波形,能够达到约0.8或更高的功率因数。其中, 在小于5W至40W的较低功率应用中,几乎是标准选择的反激式拓扑结构只需 要采用无源元件及稍作电路改动,即可实现高于0.7的功率因数。有源PFC(见 图6)通常是作为一个专门的电源转换段增加到电路中来改变输入电流波形。有 源PFC通常提供升压,交流100至277Vac的宽输入范围下,PFC输出电压范围 达直流450至480Vdc。如果恰当地设计PFC段,可以提供91%到95%的高能效。 但增加了冇源PFC,仍然需要专门的DC-DC转换来提供电流稳流 四、能效问题 LED照明应用的能效需要结合功率输出来考虑。美国←能源之星”固态照明规范规 定了照明器具级的能效,但并不涉及单独LED驱动器的能效要求。如前所述,采 用AC-DC电源的LED应用可以釆用两段式分布拓扑结构,故可能采用外部 AC-DC适配器供电。而“能源之星”的确包含有关单输出外部电源的规范,其2.0 版外部电源规范于2008年11月廾始生效,要求标准工作模式下最低能效达87%, 而低压工作模式下最低能效达86%;在此规范中,功率大于100W时才要求PFC。 Line voltage input 2008Target 85%92% Driver ②u ED 30%51% Package tHermal 385%95% Efficiency Fixture 80%92% Optics Optical Power a17%41% 图7:美国能源部2008年秋季提出的LED照明灯具能效研发目标。 而在采用ACDC电源的LED应用中,要提供更高的ACDC转换能效,就涉及 到成本、尺寸、性能规范及能效等因素之问的折衷问题。例如,若使用更高质 量的元件、更低导通阻抗( RDSon),就可降低损耗及改善能效;降低开关频率 般会改善能效,但却会增加系统尺寸。诸如谐振这样新的拓扑结构提供更高能 效,却也增加设计及元件的复杂度。如果我们将设计限定在较窄的功率及电压范 围,则可以帮助优化能效

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    2019-09-14
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