据统计, LED 管的故障70%来自封装,而 LED 照明器产品所产生的故障80%左右来定性已经达到比较好的水平,即使说有问题也是由于光衰的原因,这主要是散热设计的不合理造成的。直接坏死的情况已经非常少,相对来说电源的问题要严重得多,一出现问题一般是直接死灯或者闪烁,而且出现的故障率是比较高的。所以对于设计者来说,开关电源的方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化,在铁氧体材料上加大科技创新,以提高在高频率和较大磁通密度下的磁性能, LED 驱动对电源有以下要求。
1.应有的保护电路
电源在设计中必须具有过流、过热、短路等保护功能,以避免损坏用电设备或开关电源。一般有的用 IC 可以解决。
(1)浪涌保护。浪涌保护器( Surge Protection Device , SPD )是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置,电涌保护器的作用是把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内,保护被保护的设备或系统不受冲击而损坏。一般1000V以下一般称浪涌保护器,3kV以上一般称避雷器,用来抑制直击雷、感应雷以及操作过电压浪涌保护要求。因为 LED 抗浪涌的能力是比较差的,特别是抗反向电压能力。在电路设计时必须加强这方面的保护。比如 LED 路灯,由于电网负载以及雷击的感应,从电网系统会有浪涌出现,这些浪涌会导致 LED 的损坏。因此郎特照明 LED 驱动电源要有抑制浪涌的侵入,保护 LED 不被损坏的能力。
(2) PTC 保护。选用合适的保护电路,既可保护模块性能质量,又不增加太多的成本。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,电路必须加温度负反馈,因为 LED 是一种负温度系数器件,也就是当温度升高时,伏安特性向左移动,如常温25℃时 LED 最佳工作电流20mA,当其结温增加50度时, py 电压 U 就会降低0.1V,工作电流急剧增加到35~37mA为此设计者应考虑恒流源,加温度负反馈,防止温升烧坏 LED 管子。
郎特照明一般采用 PTC 热敏电阻,不仅能实现过流保而且能实现温度保护。而采用 PTC 保护时,由于过载产生的温升,使 PTC 的过流保护降低,当温度升高到一定程度(在安全限度以内) PTC 即会实现保护。
(3) TVS 器件的要求。瞬态抑制二极管( Transient Voltage Suppressors , TVS ),7是目前国际上普遍使用的一种高效能电路保护器件,它的外形与普通二极管相同,但却能收高达数千瓦的浪涌功率,它的主要特点是在反向应用条件下,当承受一个高能量的大队时,其工作阻抗立即降至极低的导通值,从而允许大电流通过,同时把电压钳制在预定。其响应时间仅为10~12s,因此可有效地保护电子线路中的精密元器件,广泛用于驱动电源的 EMC 防护中,而以前的压敏电阻 MOV ( Metal Oxide Varistor )由于箱位电高,箱位电压一般为710V,尽管它在约430V时开始导电。压敏电阻吸收的总能量取于的物理尺寸。压敏电阻通常端子为导线,形状为圆形,圆形的直径和最大的能量有关,容老化已经被 TVS 所代替。
2.电源的模块化
模块化是开关电源发展的总体趋势,可以采用模块化电源组成分布式电源系统,同时虑到 LED 的电源对于30W是个坎,因为一是考虑这时的电压已经超过60VDC的电压,输出驱动电压选择最好不要超过60V,二是线路设计更为复杂。放弃大功率、超大功率,用稳定的中小功率电源,最好在30~40W之间,最大不要超过40W。因为功率越大,发印量越大,不利于散热。所以电源采用模块化可以有效解决一些问题。
3.安全要求
要符合电工安全规范的要求。电源驱动如采用带变压器的隔离式的设计则成本较高;前已经有采用带变压器的隔离式的设计则成本较高;前已经有采用无隔离变压器的在线式设计,产品表面使用者能接触到的部分一定要经过限离,考虑绝缘与隔离的可靠性,采用加强隔离的防护灯罩外壳,不能让人触电。郎特照明采用隔离的变压器设计,就可以简化散热和灯罩的设计;如果用非隔离的驱动设计,在灯等结构上就必须考虑可靠的绝缘要求。因此作为电源驱动,隔离与非隔离的方案都可采用。
4.电磁兼容
电磁兼容这里对电源来说有几个概念。
(1)电源要有抗电磁干扰能力。电磁干扰( Electromagneticinterference , EMI ),是其他电器干扰的程度,具体有传导干扰和辐射干扰两种。各种信号线、集成电路的引脚、类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源,能发射电磁波并影响其他系统或本新制标准。内其他子系统的正常工作。任何与交流电网连接的 LED 驱动器必须满足谐波电流发射的磁干扰的能力。郎特照明要求电源具有 EMS 能力要大。足辐射发射标准。这个标准是 IEC / EN 61000-6-3,它覆盖1MHz~1GHz频率范围。这个标准使用之前美国CISPR22标准和欧洲EN55022标准规定的范围。CISPR22和EN55022规定的标准是为计算机和通信相关设备制定的,但是这些标准已经被有的电子产品采用,包括照明。
(2)电磁敏感度。电磁敏感度( Electro Magnetic Susceptibility , EMS ),是指设备抗
(3)电磁兼容性。电源的 EMC ( Electro Magnetic Compatibility )能力要强, EMC 含 EMI 与 EMS 两个要求:是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生电磁干扰即 EMI ;另一方面是指设备对所在环境中存在的电磁干扰不受其设备的影响。以前就产生在路灯下面 GPS 导航装置失灵的现象。
5、效率要求
LED 的电源需要直流的恒定电流,所以需要将220V的交流转换为直流。高效率 LED 驱动电源是 LED 照明系统整体的节能要求,不仅能使温升变小,寿命变长而且能提高整个照明器的效率,因此提高电源效率对于提高 LED 照明效率来说显得尤为重要。一般要求在80%以上。
6.功率因数要求
PFC 全称为" Power Factor Correction ",即"功率因数校正",在交流电路中,电压与电流之间的相位差( p )的余弦叫做功率因数,用符号 cos 表示,在数值上,功率因数是有功功率和视在功率的比值,即 cos = P / S ,功率因数是电网对负载的要求。一般单只70W以下的用电器,没有强制性指标。但大量的 LED 集中使用,会对电网产生较严重的污染。对于30~40W的 LED 驱动电源,郎特照明建议对功率因数方面要考虑为95%以上。 PFC 有无源 PFC (也称被动式 PFC )与有源 PFC (也称主动式 PFC 或 APFC )两种,主动式 PFC 输入电压可以从90~270V。 PFC 电路位置在第二层滤波之后,全桥整流电路之前。主动 PFC 电路由高频电感、开关管、电容以及控制 IC 等元件构成,可简单的归纳为升压型开关电源电路,其特点是构造复杂,但功率因数高。低损耗和高可靠、输入电压可以从90~270V,由于输出 DC 电压纹波很小,因此采用主动式 PFC 的电源不需要采用很大容量的滤波电容。被动式 PFC 其原理是采用电感补偿方法通过使交流输人的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数,被动式 PFC 的功率因数不是很高,只能达到0.7~0.8,因此其效率也比较低,发热量也比较大。
7.对线路板要求
当对 PCB 进行布局时,大电流的路径要短而紧凑,最好大电流通路应该沿着板的边沿布置;地线建议安置在场效应管与变压器的下面,以减小它们辐射;对于是 MOSFET 开关管,因为快速的开关有高频的影响, PCB 布局要考虑走线的间距;气隙的击穿电压约为1kV/ mm ,因此在电源的输入端,应该留有足够的间隙。
8.对元器件要求
(1)电源模块必须选用品质好的电子元器件。有的半导体器件甚至要解剖才知其偷工减料;此外如果是出口到欧盟的产品,所有器件必须符合 ROHS 指令要求。
(2)选择电感值主要是根据线路工作的频率,频率降低能减少 MOS 场效应管开关次数,减少 MO 场效应管发热量。但频率太低, LED 的驱动电路产生人耳听得见的噪声,也不符合 IEEE 的标准。
(3)肖特基二极管选择。郎特照明选择二极管反向耐压要针对线路最高输出电压脉冲值来确定,要大于这个值。二极管的正向电流不必与开关电流限值相等。流经二极管的平均电流是开关占空比的一个函数,二极管在功率开关断开时的电流占空比通常小于50%,选择电流值与驱动电流相等即可。耐压不是越高越好,是要合适,高耐压肖特基二极管 U 值也会高些,功耗会大,价格也会高。
(4)金属氧化物半导体场效应晶体管( MOSFET )由于导通电阻小,经常应用在 LE 驱动上, MOSFET 功率场效应晶体管是用栅极电压来控制漏极电流的,因此驱动电路简单驱动功耗小,开关速度快,工作频率高,选择应考虑耐压、电流、功率与频率。一般的应中 IC 的驱动可以直接驱动 MOSFET ,但是考虑到通常驱动走线不是直线,感量可能会更大,并且为了防止外部干扰,还是要使用驱动电阻进行抑制,这个电阻要尽量靠近 MOS FET 的栅极。
(5)电解电容的选择相当重要,因为普通的电解电容寿命只有5000h,尽管 LED 的寿命为5万 h ,而一只小小的电解电容将成为其寿命的致命点。电解电容寿命与其工作温度、两端电压有直接关系,挑选时额定电压要高于实际电压,至少要有1/3的余量,温度也要挑商高温的,一般温升6℃,其寿命就要减一半,应该尽可能减低其工作温度,对于具体应用。郎特照明建议电解电容焊在陶瓷基板上以有效减低温度。
9.电源参数
LED 的工作电流是需要考虑的参数之一,在确定 LED 照明的效能和使用寿命时很重要。提升工作电流,则各 LED 的光输出会变大,因而减少了所需的 LED 数量,但发热量会增加。应根据应用的不同,考虑到每个 LED 流明输出值更高。模块由18个 LED 串联成,恒流源提供450mA的电流,每颗 LeD 的光通量约为130lm,整个模块光通量为18130为2340。这样可以推出需要三个模块, LED 数目为18x3,即54颗 LED ,电源效率﹣般为85%。在开始设计 LED 系统时,就应考虑到电气损失。单个模块都由单独的恒流源供电,供电电流为450mA,电压为3.25x18,即为58.5V,功率为26W,这时考虑电源的功率应为26/0.85,即为30W左右。剩下4W为电源本身所消耗的。http://www.ledlongtech.com/
