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LED驱动电源基本知识



LED驱动电源,你了解多少?
------载自亮贝士照明

  LED驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电压转换器,通常情况下:LED驱动电源的输入包括高压工频交流(即市电)、低压直流、高压直流、低压高频交流(如电子变压器的输出)等。而LED驱动电源的输出则大多数为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源。下面就为初入该行的业者提供一些LED驱动电源的相关知识。
1、什么是LED驱动电源
  LED驱动电源把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电压转换器,通常情况下:LED驱动电源的输入包括高压工频交流(即市电)、低压直流、高压直流、低压高频交流(如电子变压器的输出)等。而LED驱动电源的输出则大多数为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源。LED电源核心元件包括开关控制器、电感器、开关元器件(MOSfet)、反馈电阻、输入滤波器件、输出滤波器件等等。根据不同场合要求、还要有输入过压保护电路、输入欠压保护电路,LED开路保护、过流保护等电路。
  2LED驱动电源的特点
  (1)高可靠性
  特别像LED路灯的驱动电源,装在高空,维修不方便,维修的花费也大。
  (2高效率
  LED是节能产品,驱动电源的效率要高。对于电源安装在灯具内的结散热非常重要。电源的效率高,它的耗损功率小,在灯具内发热量就小,也就降低了灯具的温升。对延缓LED的光衰有利。
  (3)高功率因素
  功率因素是电网对负载的要求。一般70瓦以下的用电器,没有强制性指标。虽然功率不大的单个用电器功率因素低一点对电网的影响不大,但晚上使用照明量大,同类负载太集中,会对电网产生较严重的污染。对于30~40瓦的LED驱动电源,据说不久的将来,也许会对功率因素方面有一定的指标要求。
  (4)驱动方式
  现在通行的有两种:其一是一个恒压源供多个恒流源,每个恒流源单独给每路LED供电。这种方式,组合灵活,一路LED故障,不影响其他LED的工作,但成本会略高一点。另一种是直接恒流供电也就是中科慧宝改采用的驱动方式,LED串联或并联运行。它的优点是成本低一点,但灵活性差,还要解决某个LED故障,不影响其他LED运行的问题。这两种形式,在一段时间内并存。多路恒流输出供电方式,在成本和性能方面会较好。也许是以后的主流方向。
  (5)浪涌保护
  LED抗浪涌的能力是比较差的,特别是抗反向电压能力。加强这方面的保护也很重要。有些LED灯装在户外,如LED路灯。由于电网负载的启甩和雷击的感应,从电网系统会侵入各种浪涌,有些浪涌会导致LED的损坏。因此分析中科慧宝的驱动电源在浪涌保护方面应该有一定的欠缺,而至于电源及灯具频繁更换,LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入,保护LED不被损坏的能力。
  (6)保护功能
  电源除了常规的保护功能外,最好在恒流输出中增加LED温度负反馈,防止LED温度过高;要符合安规和电磁兼容的要求。
  3、按驱动方式分类
  (1)恒流式
  恒流驱动电路输出的电流是恒定的,而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化,负载阻值小,输出电压就低,负载阻值越大,输出电压也就越高;
  恒流电路不怕负载短路,但严禁负载完全开路;
  恒流驱动电路驱动LED是较为理想的,但相对而言价格较高;
  应注意所使用最大承受电流及电压值,它限制了LED的使用数量。
  (2)稳压式
  当稳压电路中的各项参数确定以后,输出的电压是固定的,而输出的电流却随着负载的增减而变化;
  稳压电路不怕负载开路,但严禁负载完全短路;
  以稳压驱动电路驱动LED,每串需要加上合适的电阻方可使每串LED显示亮度平均;
  亮度会受整流而来的电压变化影响。
  4、整体恒流和逐路恒流工作方式优缺点
  与整体恒流相较,逐路恒流虽然缺点比较多,成本也比较高。但是它能真正的起到保护LED和延长LED的寿命,所以逐路恒流才是未来的趋势。
  5LED电源的不足
  LED驱动电源目前存在不足的原因:
  生产LED照明及相关产品的公司的技术人员对开关电源的了解不够,做出的电源是可以正常工作,但一些关键性的评估及电磁兼容的考虑不够,还是有一定得隐患;
  大部分LED电源生产企业都是从普通的开关电源转型过来做LED电源,对LED的特点及使用认识还不够;
  目前关于LED的标准几乎没有,大部分都是参考开关电源和电子整流器的标准;
  现在大部分LED电源没有统一,所以量大部分都比较小。采购量小,价格就偏高,而且元器件供应商也不太配合;
  LED电源的稳定性:宽电压输入,高温和低温工作,过温、过压保护等问题都没有一一解决;
  首先是驱动电路整体寿命,尤其是关键器件如:电容在高温下的寿命直接影响到电源的寿命;
  是LED驱动器应挑战更高的转换效率,尤其是在驱动大功率LED时更是如此,因为所有未作为光输出的功率都作为热量耗散,电源转换效率的过低,影响了LED节能效果的发挥;
  目前在功率较小(1-5W)的应用场合,恒流驱动电源成本所占的比重已经接近1/3,已经接近了光源的成本,一定程度上影响了市场推广。
  LED驱动电源的两大分类
  LED驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电压转换器,通常情况下:LED驱动电源的输入包括高压工频交流(即市电)、低压直流、高压直流、低压高频交流(如电子变压器的输出)等。而LED驱动电源的输出则大多数为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源。
  由于各种规格不同的LED电源的性能和转换效率各不相同,所以选择合适、高效的LED专用电源,才能真正展露出LED光源高效能的特性。因为低效率的LED电源本身就需要消耗大量电能,所以在给LED供电的过程中就无法凸显LED的节能特点。总之,LED电源在LED工作中的稳定性、节能性、寿命长短,具备重要的作用。
  LED的电源有哪些分类呢?
  一、LED电源按驱动方式可以分为两大类:
  A.稳压式:
  1、稳压电路确定各项参数后,输出的是固定电压,输出的电流却随着负载的增减而变化
  2、稳压电路虽然不怕负载开路,但是严禁负载完全短路
  3、整流后的电压变化会影响LED的亮度
  4、要使每串以稳压电路驱动LED显示亮度均匀,需要加上合适的电阻才可以
  B. 恒流式:
  1、恒流驱动电路驱动LED是很理想的,缺点就是价格较高
  2、恒流电路虽然不怕负载短路,但是严禁负载完全开路
  3、恒流驱动电路输出的电流是恒定的,而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化
  4要限制LED的使用数量,因为它有最大承受电流及电压值
  二、LED电源按电路结构可以分为六类:
  1、常规变压器降压:
  这种电源的优点是体积小,不足之处是重量偏重、电源效率也很低,一般在45%~60%,因为可靠性不高,所以一般很少用。
  2、电容降压:
  这种方式的LED电源容易受电网电压波动的影响,电源效率低,不宜LED在闪动时使用,因为电路通过电容降压,在闪动使用时,由于充放电的作用,通过LED的瞬间电流极大,容易损坏芯片。
  3、电子变压器降压:
  这种电源结构不足之处是转换效率低,电压范围窄,一般180~240V,波纹干扰大。
  4、电阻降压:
  这种供电方式电源效率很低,而且系统的可靠也较低。因为电路通过电阻降压,受电网电压变化的干扰较大,不容易做成稳压电源,并且降压电阻本身还要消耗很大部分的能量。
  5RCC降压式开关电源:
  这种方式的LED电源优点是稳压范围比较宽、电源效率比较高,一般可在70%~80%,应用较广。缺点主要是开关频率不易控制,负载电压波纹系数较大,异常情况负载适应性差。 
  6PWM控制式开关电源:
  目前来说,PWM控制方式设计的LED电源是比较理想的,因为这种开关电源的输出电压或电流都很稳定。电源转换效率极高,一般都可以高达80%~90%,并且输出电压、电流十分稳定。这种方式的LED电源主要由四部分组成它们分别是:输入整流滤波部分、输出整流滤波部分、PWM稳压控制部分、开关能量转换部分。而且这种电路都有完善的保护措施,属于高可靠性电源。
LED驱动电源九大性能特点要求
  据电网的用电规则和LED驱动电源的特性要求,在选择和设计LED驱动电源时要考虑到以下九大性能特点要求:
  1.高可靠性特别像LED路灯的驱动电源,装在高空,维修不方便,维修的花费也大。
  2.高效率 LED是节能产品,驱动电源的效率要高。对于电源安装在灯具内的结构,尤为重要。因为LED的发光效率随着LED温度的升高而下降,所以LED的散热非常重要。电源的效率高,它的耗损功率小,在灯具内发热量就小,也就降低了灯具的温升。对延缓LED的光衰有利。
  3.高功率因素功率因素是电网对负载的要求。一般70瓦以下的用电器,没有强制性指标。虽然功率不大的单个用电器功率因素低一点对电网的影响不大,但晚上大家点灯,同类负载太集中,会对电网产生较严重的污染。对于30~40瓦的LED驱动电源,据说不久的将来,也许会对功率因素方面有一定的指标要求。
  4.驱动方式现在通行的有两种:其一是一个恒压源供多个恒流源,每个恒流源单独给每路LED供电。这种方式,组合灵活,一路LED故障,不影响其他LED的工作,但成本会略高一点。另一种是直接恒流供电,LED串联或并联运行。它的优点是成本低一点,但灵活性差,还要解决某个LED故障,不影响其他LED运行的问题。这两种形式,在一段时间内并存。多路恒流输出供电方式,在成本和性能方面会较好。也许是以后的主流方向。
  5.浪涌保护 LED抗浪涌的能力是比较差的,特别是抗反向电压能力。加强这方面的保护也很重要。有些LED灯装在户外,如LED路灯。由于电网负载的启甩和雷击的感应,从电网系统会侵入各种浪涌,有些浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入,保护LED不被损坏的能力。
  6.保护功能电源除了常规的保护功能外,最好在恒流输出中增加LED温度负反馈,防止LED温度过高。
  7.防护方面灯具外安装型,电源结构要防水、防潮,外壳要耐晒。
  8.驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配。
  9.要符合安规和电磁兼容的要求。
  随着LED的应用日益广泛,LED驱动电源的性能将越来越适合LED的要求。
  确定LED驱动电源质量的七大原则
  1、放弃4路以上输出,发展单路或两路输出,放弃大电流和超大电流,发展小电流。
  输出路数越多越复杂,不同出路之间的电流干扰解决起来成本很高,如不解决则故障率较高。另外输出路数越多则总输出电流也就越大,而电流是发热的主要原因,电压本身不直接导致发热,简单来说发热量与电流的平方成正比,也就是说电流增加到原来的2倍的话,发热量将增加到原来的4倍,电流增加到原来3倍,发热量将增加到原来9倍。综上所述,单路或两路输出的LED灯电源故障率会降低很多。
  2、智能控制是LED灯具的优势之一,而电源是智能控制的关键。
  智能控制在LED路灯和LED隧道灯照明应用上条件最成熟效果最明显,智能控制能在不同时间段、根据道路车流密度来实现灯具功率的无级控制,既满足应用要求,又实现巨大的节能效果,可以为公路主管单位节省大量经费。在隧道照明上的应用不但可以节能,还可以按照隧道外的亮度情况自动调节隧道出入口亮度,给司机提供一个视觉过度阶段,以保证驾驶安全。
  3、放弃大功率、超大功率,选择较高稳定性的中小功率电源。
  因为功率越大,发热量越大,里面的零部件也越紧凑,不利于散热,而温度正是电源发生故障的罪魁祸首。再者,小功率电源相对来说发展的较为成熟,稳定性和成本方面都有优势。其实很多大功率电源方案都没有经过时间验证及实践证明,都是匆匆上马的项目,都是实验性的产品,因此故障层出不穷。相比之下中小功率电源因发展较早,技术方案要成熟的多。
  4、散热和防护是电源故障的主要外部因素。
  不仅电源本身会发热,灯具也会发热,这两种热源如何合理的散发出去是灯具设计工程师必须考虑的问题,一定要防止热量的过度集中,形成热岛效应,影响电源寿命。采用分离式电源方案是一个好的选择。
  5、维护的可行性。
  电源的故障问题不可能完全避免,成都朝月光电提出了维护简便性原则。只有把电源的更换做的跟常规照明的光源的更换那么简便时,才能是用户用的开心,即便是电源坏了,心情也不会太差,而用户的心情好坏决定着LED灯厂家的命运。
  6、防护性能。
防护问题也很重要,水分的渗透可能引起电源的短路,外壳上的沙尘会影响电源的散热,暴晒则容易引起高温和电线及其他元器件的老化,从实际使用中的经验来看,旋转接线插头的故障率较高,多数为漏水造成故障。
  7、模块化设计。
  模块化设计已经成为当今的潮流,必须在模块电源一体化上想办法,,如果电源能用插拔的方式解决维护问题,一定会受到用户的欢迎,同时还需建立接口标准化,让不同厂家的LED灯电源能够通用。
  总结:LED灯电源最好采用分体式设计,同时注重电源的可靠性与寿命,哪怕增加一点成本,只有站在客户的角度去设计产品,企业才能得到长久的发展。
  简化LED设计的五大原则
  芯片发热
  这主要针对内置电源调制器的高压驱动芯片。假如芯片消耗的电流为2mA300V的电压加在芯片上面,芯片的功耗为0.6W,当然会引起芯片的发热。驱动芯片的最大电流来自于驱动功率MOS管的消耗,简单的计算公式为I=cvf(考虑充电的电阻效益,实际I=2cvf,其中c为功率MOS管的cgs电容,v为功率管导通时的gate电压,所以为了降低芯片的功耗,必须想办法降低cvf.如果cvf不能改变,那么请想办法将芯片的功耗分到芯片外的器件,注意不要引入额外的功耗。再简单一点,就是考虑更好的散热吧。
  功率管发热
  关于这个问题,也见到过有人在论坛发过贴。功率管的功耗分成两部分,开关损耗和导通损耗。要注意,大多数场合特别是LED市电驱动应用,开关损害要远大于导通损耗。开关损耗与功率管的cgdcgs以及芯片的驱动能力和工作频率有关,所以要解决功率管的发热可以从以下几个方面解决:A、不能片面根据导通电阻大小来选择MOS功率管,因为内阻越小,cgscgd电容越大。如1N60cgs250pF左右,2N60cgs350pF左右,5N60cgs1200pF左右,差别太大了,选择功率管时,够用就可以了。B、剩下的就是频率和芯片驱动能力了,这里只谈频率的影响。频率与导通损耗也成正比,所以功率管发热时,首先要想想是不是频率选择的有点高。想办法降低频率吧!不过要注意,当频率降低时,为了得到相同的负载能力,峰值电流必然要变大或者电感也变大,这都有可能导致电感进入饱和区域。如果电感饱和电流够大,可以考虑将CCM(连续电流模式)改变成DCM(非连续电流模式),这样就需要增加一个负载电容了。
  工作频率降频
  这个也是用户在调试过程中比较常见的现象,降频主要由两个方面导致。输入电压和负载电压的比例小、系统干扰大。对于前者,注意不要将负载电压设置的太高,虽然负载电压高,效率会高点。对于后者,可以尝试以下几个方面:a、将最小电流设置的再小点;b、布线干净点,特别是sense这个关键路径;c、将电感选择的小点或者选用闭合磁路的电感;d、加RC低通滤波吧,这个影响有点不好,C的一致性不好,偏差有点大,不过对于照明来说应该够了。无论如何降频没有好处,只有坏处,所以一定要解决。
  电感或者变压器的选择
  终于谈到重点了,我还没有入门,只能瞎说点饱和的影响了。很多用户反应,相同的驱动电路,用a生产的电感没有问题,用b生产的电感电流就变小了。遇到这种情况,要看看电感电流波形。有的工程师没有注意到这个现象,直接调节sense电阻或者工作频率达到需要的电流,这样做可能会严重影响LED的使用寿命。所以说,在设计前,合理的计算是必须的,如果理论计算的参数和调试参数差的有点远,要考虑是否降频和变压器是否饱和。变压器饱和时,L会变小,导致传输delay引起的峰值电流增量急剧上升,那么LED的峰值电流也跟着增加。在平均电流不变的前提下,只能看着光衰了。
  LED电流大小
  大家都知道LEDripple过大的话,LED寿命会受到影响,影响有多大,也没见过哪个专家说过。以前问过LED厂这个数据,他们说30%以内都可以接受,不过后来没有经过验证。建议还是尽量控制小点。如果散热解决的不好的话,LED一定要降额使用。也希望有专家能给个具体指标,要不然影响LED的推广。
LED驱动电源常见难题
  为了节能省电,LED得到了很大的推行,但LED都需求有个电源驱动,其好坏会直接影响LED的寿数,因而如何做好一个LED驱动电源是LED电源描绘者的重中之重。本文分析了一些LED驱动电源的难题,期望能够对工程师供给一点协助。
  1、驱动电路直接影响LED寿命
  咱们所说的LED驱动包括数码驱动和类推驱动两类,数码驱动指数字电路驱动,包括数字调光操控,RGB全彩变幻等。类推驱动指类推电路驱动,包括AC恒流开关电源,DC恒流操控电路。驱动电路由电子元件组成,包括半导体元件,电阻,电容,电感等,这些元件都有运用寿数,任何一个器材失效都会致使整个电路的失效或许有些功用失效。 LED的运用寿数是5-10万小时,按5万小时算,接连点亮,有近6年的寿数。开关电源的寿数是很难到达6年的,市面上出售的开关电源质保期通常是2-3年,到达6年质保的电源是军品级别的,价钱是通常电源的4-6倍,通常的灯具厂是很难承受的。所以LED灯具的毛病多为驱动电路毛病。
  2、散热难题
  LED为冷光源,作业结温不能超过限值,描绘时还要留必定余量。整个灯具的描绘要思考外形漂亮,装置便利,配光,散热等许多方面难题,要在许多要素中寻求平衡点,这样全体的灯具才是最棒的.LED灯具的开展时刻不长,能够学习的经历不多,许多描绘都是不断完善的。有些LED灯具厂家所用电源为外协或许外购,灯具描绘师对电源知道不多,给LED的散热空间较大,给电源的散热空间较小。通常是描绘好灯具后再找适宜的电源来配套,这样就给电源的配套带来必定的难度。常常碰到因灯具内部空间较小或许内部温度较高,并且本钱操控较低,无法配到适宜电源。有些LED灯具厂有电源研制才干,在开端描绘灯具前期进行评价,电源的描绘同步进行,就能处理以上难题。在描绘中要归纳思考LED的散热和电源的散热,全体操控灯具的温升,这样才干描绘出较好的灯具。
  3、电源描绘中的难题
  a,功率描绘。尽管LED光效高,可是还有80-85%的热能损耗,致使灯具内部有20-30度的温升,若是室温25度状况,灯具内部就有45-55度,电源长时刻在高温环境下作业,要确保寿命就必须加大功率余量,通常留到1.5-2倍的余量。
  b,元件选型。灯具内部温度45-55度状况下,电源内部温升还有20度左右,则元件邻近的温度要到达65-75度。有些元件在高温状况参数会飘移,还有些寿命会缩短,所以器材要挑选能在较高温度长时刻运用的,特别注意电解电容和导线。
  C,电功能描绘。开关电源对准LED的参数描绘,主要是恒流参数,电流的巨细决议LED的亮度,若是批量电流差错较大,则整批灯的亮度不均匀。并且温度的改变也能致使电源输出电流偏移。通常是批量差错操控在+/-5%以内,才干确保灯的亮度共同.LED的正向压降有误差,电源描绘的恒流电压规模要包括LED的电压规模。多个LED串连运用时分,最小压降乘以串连数量为下限电压,最大压降乘以串连数量为上限电压,电源的恒流电压规模要比这个规模稍宽些,通常上下限各留1-2V余量。
  dPCB布板描绘.LED灯具留给电源的尺度较小(除非是电源外置的),所以在PCB描绘上需求较高,要思考的要素也多。安全间隔要留够,需求输入和输出阻隔的电源,一次侧电路和二次侧电路需求耐压1500-2000VAC,在PCB上至少要留够3MM的间隔。若是是金属外壳的灯具,则整个电源的布板还要思考高压有些和外壳的安全间隔。若是没有空间确保安全间隔状况下就要运用其他办法确保绝缘,比如在PCB上打孔,加绝缘纸,灌封绝缘胶等。别的布板还要思考热量均衡,发热元件要均匀分布,不能会集放置,防止部分温度升高。电解电容远离热源,减缓老化,延伸运用寿数。
  e,认证难题。目前国内还没有对准LED灯具的规范,国家相关部分正在研讨制定,国内出售的灯具认证是参照照明灯具的规范,外销的是做CEUL等认证,还有些参照国外的LED灯具规范来做。所以对准这种状况,开关电源的描绘要一起满意以上的这些规范是比拟艰难的,咱们只能对准不一样的需求满意不一样的认证。
  4、运用参数。
  外购电源在挑选上主要看恒流和恒流的电压规模。恒流值挑选为LED的规范电流偏下。电压规模的挑选要适中,尽量不要挑选较大规模,防止功率的糟蹋。
  LED驱动电源电路的3种保护方法
  1.保护LED电路中采用保险丝(管)
  由于保险丝是一次性的,且反应速度慢,效果差、使用麻烦,所以保险丝不适宜用于LED灯成品中,因为LED灯现在主要是在城市的光彩工程和亮化工程。它要求LED保护电路要很苛刻:在超出正常使用电流时能立即启动保护,让LED的供电通路就被断开,使LED和电源都能得到保护,在整个灯正常后又能够自动恢复供电,不影响LED工作。电路不能太复杂体积不能太大,成本还要低。所以采用保险丝的方式实现起来很困难。
  2.使用瞬态电压抑制二极体(简称TVS
  瞬态电压抑制二极体是一种二极体形式的高效能保护器件。当它的两极受到反向瞬态高能量冲击时,能以10的负12次方秒极短时间的速度,使自己两极间的高阻立即降低为低阻,吸收高达数千瓦的浪涌功率,把两极间的电压钳位元在一个预定的电压值,有效的保护了电子线路中的精密元器件。瞬态电压抑制二极体具有回应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差一致性好、钳位元电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。
  但是在实际使用中发现要寻找满足要求电压值的TVS器件很不容易。 LED光珠的损坏主要是因为电流过大使芯片内部过热造成的。 TVS只能探测过电压不能探测过电流。要选择合适的电压保护点很难掌握,这种器件就无法生产也就很难在实际中使用。
  3.选择自恢复保险丝
  自恢复保险丝又称为高分子聚合物正温度热敏电阻PTC,是由聚合物与导电粒子等构成。在经过特殊加工后,导电粒子在聚合物中构成链状导电通路。当正常工作电流通过(或元件处于正常环境温度)时,PTC自恢复保险丝呈低阻状态;当电路中有异常过电流通过(或环境温度升高)时,大电流(或环境温度升高)所产生的热量使聚合物迅速膨胀,也就切断了导电粒子所构成的导电通路,PTC自恢复保险丝呈高阻状态;当电路中过电流(超温状态)消失后,聚合物冷却LED驱动电源,体积恢复正常,其中导电粒子又重新构成导电通路,PTC自恢复保险丝又呈初始的低阻状态。在正常工作状态自恢复保险管的发热很小,在异常工作状态它的发热很高阻值就很大,也就限制了通过它的电流,从而起到了保护作用。在具体的电路中,可以选择:
  分路保护。一般LED灯是分成很多串接支路。我们可以在每个支路的前面加一支PTC元件分别进行保护。这种方式的好处是精确性高,保护的可靠性好。
  总体保护。在所有光珠的前面加接一支PTC元件,对整灯进行保护。这种方式的好处是简单,不占体积。对于民用产品来说,这种保护在实际使用中的结果还是令人满意的。
 
吴运江
2013-11-9
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