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工程師必看!LED照明電源設(shè)計(jì)四大難題解析

發(fā)布時(shí)間:2013-09-28 責(zé)任編輯:eliane

【導(dǎo)讀】工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)LED照明電源的時(shí)候,存在著一些設(shè)計(jì)難題,如電解電容壽命與LED不匹配、LED燈閃爍等等,該如何解決呢?安森美半導(dǎo)體高級(jí)應(yīng)用工程經(jīng)理鄭宗前針對(duì)其中的幾個(gè)難題進(jìn)行原因分析并提出相應(yīng)的解決方法。

難題1:電解電容壽命與LED不相匹配的問題

LED照明的一個(gè)重要的考慮因素,就是LED驅(qū)動(dòng)電路與LED本身的工作壽命應(yīng)該能夠相提并論。雖然影響驅(qū)動(dòng)電路可靠性的因素有很多,但其中電解電容對(duì)總體可靠性有至關(guān)重要的影響。為了延長系統(tǒng)工作壽命,需要有針對(duì)性地分析應(yīng)用中的電容,并選擇恰當(dāng)?shù)碾娊怆娙荨?

實(shí)際上,電解電容的有效工作壽命在很大程度上受環(huán)境溫度及由作用在內(nèi)部阻抗上的紋波電流導(dǎo)致的內(nèi)部溫升影響。電解電容制造商提供的電解電容額定壽命是根據(jù)暴露在最高額定溫度環(huán)境及施加最大額定紋波電流條件下得出的。在105°C時(shí)典型電容額定壽命可能是5,000小時(shí),電容所實(shí)際遭受的工作應(yīng)力相比額定電平越低,有效工作壽命也就越長。因此,一方面,選擇額定工作壽命長及能夠承受高額定工作溫度的電解電容當(dāng)然能夠延長工作壽命。另一方面,根據(jù)實(shí)際的應(yīng)力和工作溫度,仍然可以選擇較低額定工作溫度和額定壽命的電容,從而提供更低成本的解決方案;換個(gè)角度說,在設(shè)計(jì)中考慮保持適當(dāng)?shù)膽?yīng)力和工作溫度,可以有效地延長電解電容的工作壽命,使其更能與LED壽命相匹配。

舉例來說,安森美半導(dǎo)體符合“能源之星”固態(tài)照明標(biāo)準(zhǔn)的離線型LED驅(qū)動(dòng)器GreenPoint®參考設(shè)計(jì)選擇了松下的ECA-1EM102鋁電解電容,其額定值為1,000µF、25 V、850 mA、2,000小時(shí)及85°C。在假定50°C環(huán)境溫度條件下,這電容的可用壽命超過12萬小時(shí)。因此,盡力使LED驅(qū)動(dòng)電路工作在適宜的溫度條件并妥善處理散熱問題,就能實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)電路與LED工作壽命的匹配問題。

總的來看,如果LED驅(qū)動(dòng)電路中必須使用電解電容,那就必須努力控制電容所受的應(yīng)用力及工作溫度,從而最大程度延長電容工作壽命,以期與LED壽命匹配;另一方面,設(shè)計(jì)人員也應(yīng)該盡可能地避免使用電解電容。

難題2:LED燈閃爍的常見原因與處理辦法

通常人眼能夠感知到頻率達(dá)70 Hz的光閃爍,高于這個(gè)頻率則不會(huì)感知。故在LED照明應(yīng)用中,如果脈沖信號(hào)出現(xiàn)頻率低于70 Hz的低頻分量,人眼就會(huì)感受到閃爍。當(dāng)然,在具體應(yīng)用中,有多種因素可能導(dǎo)致LED燈閃爍。例如,在離線式低功率LED照明應(yīng)用中,一種常見的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是隔離型反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以安森美半導(dǎo)體符合“能源之星”固態(tài)照明標(biāo)準(zhǔn)的8 W離線型LED驅(qū)動(dòng)器GreenPoint®參考設(shè)計(jì)為例,由于反激穩(wěn)壓器的正弦方波功率轉(zhuǎn)換并未給初級(jí)偏置提供恒定能量,動(dòng)態(tài)自供電(DSS)電路可能會(huì)激活并引發(fā)光閃爍。為了避免這個(gè)問題,必須使初級(jí)偏置能夠在每個(gè)半周期部分放電,相應(yīng)地,需要恰當(dāng)選擇構(gòu)成這偏置電路的電容和電阻的量值。

另外,即使是在使用提供極佳功率因子校正、支持TRIAC調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中,也要求電磁干擾(EMI)濾波器。由TRIAC階躍(step) 引起的瞬態(tài)電流會(huì)激發(fā)EMI濾波器中電感和電容的自然諧振。如果這諧振特性導(dǎo)致輸入電流降至TRIAC維持電流之下,TRIAC將會(huì)關(guān)閉。短暫延時(shí)后,TRIAC通常又會(huì)導(dǎo)通,激發(fā)同樣的諧振。在輸入電源波形的一個(gè)半周期內(nèi),這系列事件可能會(huì)重復(fù)多次,從而形成可見的LED閃爍。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)問題,TRIAC調(diào)光的一項(xiàng)關(guān)鍵要求就是EMI濾波器的輸入電容極低,且這電容要能夠通過TRIAC及繞線阻抗解耦。根據(jù)公式,調(diào)光模塊中電容減小的話,就能夠增大諧振電路的電阻,原理上就抑制振蕩,恢復(fù)想要的電路工作。

難題3:PWM調(diào)光對(duì)LED的壽命有何影響

LED本身的壽命很長,PWM調(diào)光并不會(huì)損及LED的預(yù)期壽命;甚至由于PWM調(diào)光幫助減小LED發(fā)熱量,實(shí)際上還能幫助延長LED預(yù)期壽命。當(dāng)然,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,需要有效地檢測(cè)及控制LED溫度,保證LED可靠工作,體現(xiàn)其長壽命和低維護(hù)成本的優(yōu)勢(shì)。

難題4:利用TRIAC調(diào)光調(diào)控LED亮度的潛在問題

當(dāng)前TRIAC調(diào)光是一種頗受市場歡迎的調(diào)光方式。TRIAC調(diào)光器最初是為白熾燈設(shè)計(jì)的,但諸如安森美半導(dǎo)體這樣的領(lǐng)先供應(yīng)商也推出了支持 TRIAC調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)器,非常適合在LED照明中提供TRIAC調(diào)光。但這種方式也有其局限所在,如增加電路復(fù)雜性、影響功率因子、調(diào)光級(jí)別相對(duì)有限等問題。安森美半導(dǎo)體身為應(yīng)用于綠色電子產(chǎn)品的首要高性能、高能效硅方案供應(yīng)商,最新推出了用于住宅及商業(yè)LED照明應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)器 NCL30000。這器件使用臨界導(dǎo)電模式(CrM)反激架構(gòu),以單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供高于0.95的功率因子,故又省卻直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換段,簡化了電路。這器件即使在低電平時(shí)也提供極高能效,符合各種規(guī)范要求及整體系統(tǒng)光效要求。另外,這器件兼容于前沿TRIAC調(diào)光器及尾沿晶體管調(diào)光器,視乎所用的調(diào)光器,LED光輸出可調(diào)至低于2%,提供優(yōu)異的調(diào)光性能。

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