照明用LED驱动电源设计基础.doc
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1、照明用LED驱动电源设计基础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。最常用的是采用变压器来进行电气隔离。文中论述了LED 照明设计需要考虑的因素一、LED驱动器通用要求驱动LED 面临着不少挑战,如正向电压会随着温度、电流的变化而变化,而不同个体、不同批次、不同供应商的LED 正向电压也会有差异;另外,LED 的“色点”也会随着电流及温度的变化而漂移。 另外,应用中通常会使用多颗LED,这就涉及到多颗LED 的排列方式问题。各种排列方式中, 首选驱动串联的单串LED,
2、 因为这种方式不论正向电压如何变化、 输出电压(Vout)如何“漂移”,均提供极佳的电流匹配性能。当然,用户也可以采用并联、串联-并联组合及交叉连接等其它排列方式,用于需要“相互匹配的”LED 正向电压的应用,并获得其它优势。如在交叉连接中,如果其中某个LED 因故障开路,电路中仅有1 个LED 的驱动电流会加倍,从而尽量减少对整个电路的影响。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驱动器基本的工作电路示意图如图2 所示,其中所谓的“隔离”表示交流线路电压与LE
3、D(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”则没有采用高频变压器来电气隔离。值得一提的是,在LED 照明设计中,AC-DC 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(integral)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。 LED 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,即输出为一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
4、恒流恒压(CCCV)输出工作,即提供恒定输出功率,故作为负载的 LED 的正向电压确定其电流。 总的来看,LED 照明设计需要考虑以下几方面的因素: 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 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AC-DC 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
5、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换。电路中通常加入了变压器的隔离型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30 W 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。 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
6、电流,这种驱动方式易于设计、成本低,且没有电磁兼容(EMC)问题,劣势是依赖于电压、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。 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(EMI)问题。LED DC-DC 开关稳压器常见的拓扑结构包括降压(Buck)、升压(Boost)、降压
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