《電子技術(shù)應(yīng)用》
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美國國家半導(dǎo)體兩種LED照明解決方案:效率達(dá)90%且超長壽命

2011-03-26

  由于擁有更高的效率與更長的使用壽命,,LED的使用日益普及,。因此,供電電源需要具有更高效率,,至少要有與LED相同的使用壽命,。美國國家半導(dǎo)體公司提出了一款解決方案,,能夠確保效率達(dá)到90%并擁有超長的使用壽命。

  就THD(總諧波失真)而言,,歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN61000-3-2對功率損耗超過25W的照明裝置有嚴(yán)格限制,。此外,這些照明裝置需要滿足功率因數(shù)要求,。為此,,需要包含有源PFC(功率因數(shù)校正),以確保輸入電流與輸入電壓吻合,。

  下文將討論LED驅(qū)動器滿足這些要求的工作原理,,并對AC/DC降壓轉(zhuǎn)換器如何高效地驅(qū)動30只同串的高亮度LED進(jìn)行說明。

  此外,,本文還將給出另外一種實(shí)現(xiàn)方法的結(jié)構(gòu)示意圖,,即采用隔離式AC/DC電源及一款具有動態(tài)余量控制的LM3464。通過避免電磁干擾,,該方案具有極高效率,。

  簡介

  LED正越來越廣泛應(yīng)用于照明改造、工業(yè)照明,、商業(yè)照明,、街道照明以及其它眾多領(lǐng)域,其效率以及使用壽命已經(jīng)得以證實(shí),,為提供更高可靠性,,它需要一個(gè)良好的電源以滿足其需求。我們的第一個(gè)方案是由兩級構(gòu)成:一個(gè)前端PFC與一個(gè)LM3445 LED驅(qū)動器,。

  圖一給出了結(jié)構(gòu)框圖,,該方案無需電流隔離并提高了工作效率??傁到y(tǒng)效率更多地取決于AC/DC隔離變壓器,。反激式PFC雖然經(jīng)濟(jì),但效率很難超過85%,。在第一個(gè)方案中,,在散熱裝置和LED之間使用絕緣膠層或陶瓷層進(jìn)行隔離,由于變壓器無須隔離,其效率變得更高,。

  

  圖1,,結(jié)構(gòu)圖

  該電源的主要目的是將整流AC輸入轉(zhuǎn)換為DC穩(wěn)壓電流,以下是一個(gè)優(yōu)化示例,,示意在350mA電流下如何驅(qū)動功率達(dá)到35W的30個(gè)高亮度白光LED,。該電源為LED提供了保護(hù),限定了瞬態(tài)輸入電壓,,并在熱插拔時(shí)避免了電流浪涌,。總的電源一致性(電源母線諧波(EN),,電源母線干擾,,國際安全標(biāo)準(zhǔn)等)全部符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN)。

  下面是一個(gè)使用鎮(zhèn)流器對35W的T8管進(jìn)行替換的示例,,見圖2,。在LED串開路、短路或過載的情況下,,可以保護(hù)鎮(zhèn)流器以免發(fā)生故障,。它確保了任何元件都不會在故障下過熱或燒毀,以確保設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性,。

  

  圖2,,使用鎮(zhèn)流器時(shí)35W的T8燈管進(jìn)行替換。

  鎮(zhèn)流器與T8的主要特點(diǎn)如下:

  • 適用于歐洲輸入電壓范圍,,但可以進(jìn)一步擴(kuò)展到從85VAC?265VAC的更寬范圍,。

  • PF為0.98

  • 輸出電流為350mA

  • 輸出電壓為100V±20%(取決于LED VF)

  • 母線諧波符合EN61000 - 3 - 2 C類標(biāo)準(zhǔn)要求

  • 電磁干擾(導(dǎo)電性)符合EN55022 標(biāo)準(zhǔn)要求

  • 電磁干擾(輻射)符合現(xiàn)行EN55022 標(biāo)準(zhǔn)要求

  由于擁有更高的效率與更長的使用壽命,LED的使用日益普及,。因此,,供電電源需要具有更高效率,至少要有與LED相同的使用壽命,。美國國家半導(dǎo)體公司提出了一款解決方案,,能夠確保效率達(dá)到90%并擁有超長的使用壽命。

  就THD(總諧波失真)而言,,歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN61000-3-2對功率損耗超過25W的照明裝置有嚴(yán)格限制,。此外,這些照明裝置需要滿足功率因數(shù)要求,。為此,,需要包含有源PFC(功率因數(shù)校正),以確保輸入電流與輸入電壓吻合,。

  下文將討論LED驅(qū)動器滿足這些要求的工作原理,,并對AC/DC降壓轉(zhuǎn)換器如何高效地驅(qū)動30只同串的高亮度LED進(jìn)行說明,。

  此外,本文還將給出另外一種實(shí)現(xiàn)方法的結(jié)構(gòu)示意圖,,即采用隔離式AC/DC電源及一款具有動態(tài)余量控制的LM3464。通過避免電磁干擾,,該方案具有極高效率,。

  簡介

  LED正越來越廣泛應(yīng)用于照明改造、工業(yè)照明,、商業(yè)照明,、街道照明以及其它眾多領(lǐng)域,其效率以及使用壽命已經(jīng)得以證實(shí),,為提供更高可靠性,,它需要一個(gè)良好的電源以滿足其需求。我們的第一個(gè)方案是由兩級構(gòu)成:一個(gè)前端PFC與一個(gè)LM3445 LED驅(qū)動器,。

  圖一給出了結(jié)構(gòu)框圖,,該方案無需電流隔離并提高了工作效率??傁到y(tǒng)效率更多地取決于AC/DC隔離變壓器,。反激式PFC雖然經(jīng)濟(jì),但效率很難超過85%,。在第一個(gè)方案中,,在散熱裝置和LED之間使用絕緣膠層或陶瓷層進(jìn)行隔離,由于變壓器無須隔離,,其效率變得更高,。

  

  圖1,結(jié)構(gòu)圖

  該電源的主要目的是將整流AC輸入轉(zhuǎn)換為DC穩(wěn)壓電流,,以下是一個(gè)優(yōu)化示例,,示意在350mA電流下如何驅(qū)動功率達(dá)到35W的30個(gè)高亮度白光LED。該電源為LED提供了保護(hù),,限定了瞬態(tài)輸入電壓,,并在熱插拔時(shí)避免了電流浪涌??偟碾娫匆恢滦裕娫茨妇€諧波(EN),,電源母線干擾,國際安全標(biāo)準(zhǔn)等)全部符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN),。

  下面是一個(gè)使用鎮(zhèn)流器對35W的T8管進(jìn)行替換的示例,,見圖2。在LED串開路,、短路或過載的情況下,,可以保護(hù)鎮(zhèn)流器以免發(fā)生故障,。它確保了任何元件都不會在故障下過熱或燒毀,以確保設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性,。

  

  圖2,,使用鎮(zhèn)流器時(shí)35W的T8燈管進(jìn)行替換。

  鎮(zhèn)流器與T8的主要特點(diǎn)如下:

  • 適用于歐洲輸入電壓范圍,,但可以進(jìn)一步擴(kuò)展到從85VAC?265VAC的更寬范圍,。

  • PF為0.98

  • 輸出電流為350mA

  • 輸出電壓為100V±20%(取決于LED VF)

  • 母線諧波符合EN61000 - 3 - 2 C類標(biāo)準(zhǔn)要求

  • 電磁干擾(導(dǎo)電性)符合EN55022 標(biāo)準(zhǔn)要求

  • 電磁干擾(輻射)符合現(xiàn)行EN55022 標(biāo)準(zhǔn)要求

  • 效率為87%

  • 符合現(xiàn)行安全標(biāo)準(zhǔn)要求

  • 被動冷卻方式

  • 溫度范圍-20 ° C?+65 ° C

  • 使用聚合物電容器延長壽命

  • 使用共享電流的3串90 LED LCW_G5GP-GX-6S的歐司朗T8管。

   第一級PFC

  大多數(shù)基本的AC/DC電源在輸入線路中都會產(chǎn)生諧波失真且功率因數(shù)較差,,因此很難滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN - 61000 - 3 – 2的要求,。該解決方案使用PFC電路,使輸入電流波形與輸入電壓波形同樣為正弦波波形,。

  對于鎮(zhèn)流器產(chǎn)品,,則符合歐洲EN - 61000 - 3 - 2C類標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)適用于所有的照明產(chǎn)品,,包括有源輸入功率大于25W的調(diào)光設(shè)備,。

  PFC作為升壓轉(zhuǎn)換器,在臨界導(dǎo)通模式下運(yùn)行,。它提供了一個(gè)相對穩(wěn)定的輸出電壓(380VDC),,作為LED驅(qū)動器輸入電壓。LED驅(qū)動器作為恒定電流控制降壓轉(zhuǎn)換器,,將更適用于整流輸入電壓,。

  由于LED驅(qū)動器具有更高輸入紋波,在380 VDC環(huán)境中將用較小電容,。由于故障率較高,,為保持長久的使用壽命,不允許使用電解電容器,。

  這種鎮(zhèn)流器使用EPCOS薄膜電容器來替代電解電容,,根據(jù)內(nèi)部指標(biāo)對所有組件的額降值加以限定,這最大限度地減小了故障率,,延長了整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命,。

  第二級是LED驅(qū)動器 , 選用了LM3445恒流控制器,。

  LM3445是一個(gè)具有自適應(yīng)恒定關(guān)斷時(shí)間的AC/DC降壓恒流控制器,,兼容三端雙向可控硅開關(guān)(TRIAC)調(diào)光與脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號。LM3445為大功率LED照明提供了恒定的電流值,,調(diào)光解碼器允許更寬范圍的LED調(diào)光,。

  圖3 詳細(xì)地示意了LED驅(qū)動器在一個(gè)完整交流電周期內(nèi)Q3的漏源電壓和電流情況。

  該周期可劃分為幾個(gè)不同階段,,曲線如下:

  1.閉合階段

  2.導(dǎo)通階段

  3.斷開階段

  4.斷開階段,,能量轉(zhuǎn)移至負(fù)載

  

  圖3,,LED驅(qū)動器在一個(gè)完整交流電周期內(nèi)Q3的漏源電壓和電流情況

  該LED驅(qū)動器采用恒定關(guān)斷時(shí)間控制,通過一串LED調(diào)節(jié)電流,。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí),,通過電感器的LED電流增加,直到達(dá)到由參考電壓和電流檢測電阻限定的峰值為止,。達(dá)到該峰值電流后,,MOSFET關(guān)斷,同時(shí)二極管在Toff期間導(dǎo)通,。

  為驅(qū)動更多的LED,,進(jìn)行了一些改進(jìn),,包括成功串接了60只LED,。在輸出功率為70W時(shí),其總效率可達(dá)92%,,通過并聯(lián)其他LM3445可以驅(qū)動多串LED(每串30只),,但將需要更多電纜,以連接LED ,。

  

  圖4,,采用多串LED的解決方案。

  另一種方法如圖 4 所示 ,。其中主電源一側(cè)的輸出電壓低于60V,,這符合UL1310標(biāo)準(zhǔn)Class 2對最高電壓的限制要求。當(dāng)隔離系統(tǒng)中要求限定次級電壓時(shí),,唯一的選擇是多串LED,。

  在次級,LM3464是一款多通道LED驅(qū)動控制器,。作為線性穩(wěn)壓器,,每個(gè)LM3464最多可控制四個(gè)外部功率N-MOSFET,因此,,能夠控制多串LED,,而每串可串聯(lián)多達(dá)15個(gè)LED。

  每通道最大的平均電流值可達(dá)500mA,,圖 4 示意了LM3464如何控制絕緣AC/DC 初級離線電源,,通過LM3464發(fā)出的指令可以對Vo動態(tài)調(diào)整從而使通過每個(gè)線性穩(wěn)壓器的電壓值保持最低。Vo的調(diào)節(jié)基準(zhǔn)是參考電壓最高的LED串通道,。即使每通道的驅(qū)動電流達(dá)350mA,,LM3464的功率效率也可超過95%。圖1和圖4的一個(gè)重要區(qū)別在于LM3464無需新的開關(guān)頻率,,這對于控制EMI而言極為重要,,因?yàn)殡S著總功率的增加EMI會越來越難以控制,,而 唯一的開關(guān)噪聲來自于AC/DC部分。

  結(jié)論

  本文討論了驅(qū)動更多數(shù)量LED的不同方法,。第一個(gè)解決方案使用PFC作為標(biāo)準(zhǔn)的升壓裝置以驅(qū)動一個(gè)有隔離散熱裝置的LED串(30只) ,,這對于需要多串多數(shù)量LED的設(shè)計(jì)工程師來講是一個(gè)極具吸引力的選擇。示例著重于LED的更換,,LED燈管的詳細(xì)信息可以根據(jù)需求提供,。如果設(shè)計(jì)正確,除了高能效以外,,LED燈管和鎮(zhèn)流器都有很長的使用壽命,。對于傳統(tǒng)的照明裝置來講,維護(hù)費(fèi)用一直是一筆很大的開銷,,而使用LED燈管能將維護(hù)費(fèi)用降至最低,。

  第二個(gè)解決方案使用一個(gè)一次電源和動態(tài)余量控制的多通道線性穩(wěn)壓器。工程師想給每串LED串配備一個(gè)專屬電源,,但是在每個(gè)LED串中使用降壓調(diào)節(jié)器會出現(xiàn)問題,。對于他們來講,這個(gè)解決方案確實(shí)極具吸引力,。該LM3464提供了一個(gè)體積更小,,價(jià)格更便宜,使用更簡單的選擇,,同時(shí)保持高功率效率,、高可靠性和極佳的電磁兼容性能(EMC)。

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