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高亮度LED照明的優(yōu)勢及應(yīng)用

電子設(shè)計 ? 來源:郭婷 ? 作者:電子設(shè)計 ? 2019-03-27 08:47 ? 次閱讀

HVHB LED采用PFC升壓配置驅(qū)動,具有體積小,PFC高,效率高,成本低,復雜度低等優(yōu)點,是CFL照明解決方案的有競爭力的替代品。

作為消費者,公司甚至各國都在尋找低成本,高能效的照明光源,發(fā)光二極管(LED)和緊湊型熒光燈(CFL)已成為主要的替代品。這兩種解決方案都是可行的,但差別很大。 CFL照明設(shè)備價格便宜,但開啟速度慢,并且調(diào)光性能差。另一方面,LED具有“快速接通”特性并且很暗,但由于成本的原因,采用速度很慢。

半導體制造商繼續(xù)創(chuàng)造新的LED驅(qū)動器組件,以降低系統(tǒng)復雜性和成本。與此同時,LED制造商正在推動高亮度LED的功效(發(fā)光效率),以減少所需的LED數(shù)量,并降低調(diào)節(jié)它們所需的功率。

其中一項創(chuàng)新是引入高壓,高亮度(HVHB)LED。這些LED需要更高的電壓才能啟動電流,從而產(chǎn)生光發(fā)射。這些新型LED帶來了新的挑戰(zhàn)和機遇。雖然最初設(shè)計為直接從交流線路自驅(qū)動,但低效率,低功率因數(shù)和無法調(diào)暗等因素限制了它們可以服務(wù)的應(yīng)用數(shù)量。

在圖1中我們看到了將這些LED直接從交流線路上驅(qū)動。為了滿足整個電壓范圍(90至135 Vac或207至253 Vac),正向壓降(Vf)必須處于最低AC電壓或更低。這意味著當電壓處于標度的上限時,電壓會在限流電阻上下降。這會造成損失并大大降低效率。這也會產(chǎn)生熱量,這可能會限制LED的壽命?,F(xiàn)在讓我們看一下圖1中的開啟時間。由于LED僅在達到或超過Vf時導通,因此僅使用峰值電壓創(chuàng)造光明。由于它在整個AC周期中占很小的比例,因此功率因數(shù)非常低(遠低于美國,歐洲和印度所稱的額定值,使得它們在這些國家的住宅和商業(yè)照明中無法使用)。這意味著如果要滿足這些LED的峰值功率需求,電力公司需要提供比運行所需的更多的電力。最后,由于大多數(shù)調(diào)光器(TRIAC或電子)通過斬波提供給燈的AC波形來操作,因此僅在燈導通的短暫時段期間發(fā)生調(diào)光。這意味著,對于90%或更多的調(diào)光范圍,燈光將全部開啟或全部關(guān)閉

高亮度LED照明的優(yōu)勢及應(yīng)用

圖1:沒有驅(qū)動器的HVHB LED特性。

盡管如此,HVHB LED與其低壓同類產(chǎn)品相比具有一些優(yōu)勢。從驅(qū)動器的角度來看,它們非常適合直接從升壓功率因數(shù)校正(PFC)電源驅(qū)動(見圖2)。該拓撲結(jié)構(gòu)通過將電流消耗與AC電壓波形相匹配來控制輸送到負載的功率,從而確保良好的功率因數(shù)(通常為0.97或更高)。使用這種形式的PFC,它很容易超過0.7或0.9的監(jiān)管機構(gòu)要求,這是在美國,歐洲和印度銷售商業(yè)和住宅照明所必需的。提高輸入電壓的另一個好處是能夠產(chǎn)生足夠高的電壓,因此無論輸入電壓如何,都可以使用一種電源設(shè)計。因此,可以實現(xiàn)通用輸入LED燈(90至253Vac)。與往常一樣,存在通用輸入的權(quán)衡。滿足120 Vac和220 Vac應(yīng)用的設(shè)計提供了一個產(chǎn)品設(shè)計,一個構(gòu)建和一個庫存項目的好處。但是,為了實現(xiàn)這一點,您必須允許設(shè)計處理比110 Vac操作所需的更高電壓,以及高于高壓應(yīng)用所需的電流。與針對每個電壓范圍的優(yōu)化解決方案相比,這相當于更高的總物料清單(BOM)成本和更大的組件。

高電壓還意味著對于給定輸出功率的低電流。例如,要創(chuàng)建一個16 W LED光源(使用四個串聯(lián)/并聯(lián)的4 W LED),總Vf為380 Vdc,所需電流僅為42 mA。

這種低電流意味著更小的存儲電容,允許使用壽命長,價格低廉的陶瓷電容器。使用這種電容器可以延長整個光源的使用壽命,因為它不需要電解電容器。典型的長壽命電解電容額定為20,000小時,但如果它們過熱則會顯著降低,而壽命長達50,000小時的LED則會顯著降低。這是在街道照明,高棚照明和其他高環(huán)境溫度應(yīng)用應(yīng)用中的重大成就。從效率方面來看,開關(guān)模式LED驅(qū)動器中的主要損耗元件是LED本身:開關(guān)電源電源(IC),驅(qū)動FET和整流器。將開關(guān)頻率保持在合理的頻率(例如150 kHz)可以最大限度地降低FET中的開關(guān)損耗,而低電流意味著整流器中的功率損耗很低??梢灶A期效率大于90%,并且僅在整個VIN范圍內(nèi)略有不同。

功率因數(shù)校正可通過多種方式實現(xiàn):

主動:使用具有用于匹配電流消耗與輸入電壓的內(nèi)置算法

谷填充技術(shù):當AC輸入處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)時,需要路由二極管和存儲電容來提供電

自然:一般情況下不連續(xù)運行的反激式配置中的開關(guān)模式電源(SMPS

谷填充操作通過要求低壽命電解來限制驅(qū)動器壽命。反激操作需要變壓器的費用,以及產(chǎn)生大量電磁干擾(EMI)輻射(通過變壓器的磁通損耗)和傳導(通過不連續(xù)操作引起的高電壓和電流尖峰,以及反射電壓,等于VIN + VOUT)

高亮度LED照明的優(yōu)勢及應(yīng)用

圖2:使用有源PFC器件的簡單升壓設(shè)計。

使用相同技術(shù)驅(qū)動低壓LED意味著首先必須提升PFC的輸入電壓,然后降低電壓到LED燈串的Vf下降。這增加了驅(qū)動器的復雜性和成本,通常增加了整個功率級以將高PFC電壓轉(zhuǎn)換為LED電流。驅(qū)動低壓LED的一種更常見的方法是使用以不連續(xù)模式運行的反激式拓撲中的電源(參見圖3)。變壓器的匝數(shù)比有助于橋接VIN和Vf之間的電壓差。這種拓撲結(jié)構(gòu)的缺點是復雜性(并且通過關(guān)聯(lián),成本較高),不能接受通用AC輸入,增加EMI傳導和輻射(由變壓器的反射電壓和磁通量損耗引起)。而且,沒有大容量電容器設(shè)計要困難得多。高壓大容量電容器通常是電解的并且具有有限的壽命,尤其是在炎熱的環(huán)境中。此外,較低的電壓會產(chǎn)生較高的電流,從而增加了電源路徑元件的溫度和尺寸,并限制了所選LED的輸出。

高亮度LED照明的優(yōu)勢及應(yīng)用

圖3:基于變壓器的低壓LED驅(qū)動器

LED照明的一個重要特性是能夠使用現(xiàn)有的調(diào)光解決方案(主要是基于TRIAC)進行調(diào)光。這種在整個TRIAC范圍內(nèi)調(diào)暗的能力是將正確驅(qū)動的LED與不良或自驅(qū)動LED以及CFL選項分開的原因。必須注意避免閃爍(TRIAC失火)并在昏暗的光線下提供足夠的負載以使調(diào)光器保持導電模式。過濾AC線對于降低60 Hz波形不會影響LED的驅(qū)動電壓以及限制傳導EMI傳播回輸入波形(因此違反FCC規(guī)范)至關(guān)重要。

通過“解碼”實現(xiàn)調(diào)光“在TRIAC調(diào)光期間的AC特征,并將結(jié)果轉(zhuǎn)換為電壓或電流等效值。然后可將其直接插入電源,或轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號,以根據(jù)調(diào)光百分比調(diào)節(jié)LED“開啟”時間。

調(diào)光時需要權(quán)衡利弊。注入驅(qū)動器反饋路徑的模擬電壓或電流是最便宜的方法,需要最少的附加電路。但是,它有幾個缺點。在PWM SMPS中可能損害環(huán)路穩(wěn)定性,并且在電壓瞬變期間可能發(fā)生振蕩或振鈴。這可能會在LED的光輸出中顯示為閃爍。另一個缺點是模擬調(diào)光減少了通過LED的電流并導致調(diào)光范圍內(nèi)的顏色變化。例如,全電流的藍白色LED在低電流時可能會出現(xiàn)更多的黃白色。

通過數(shù)字調(diào)光(例如PWM),LED串通過并聯(lián)FET短路來打開和關(guān)閉,通過將FET與電流檢測電阻并聯(lián)來斷開或斷開接地。以這種方式,電流通過LED保持恒定,但由于在一段時間內(nèi)被點亮,它們看起來更暗。優(yōu)點是顏色在調(diào)光范圍內(nèi)不會發(fā)生變化Everlight HiVo系列等LED具有Vf范圍,可容納110 Vac和220 Vac電壓。使用220 Vac系列中的兩個可確保所有輸入電壓(90至277 Vac)均可通過有源PFC升壓設(shè)計實現(xiàn)。以串聯(lián)或并聯(lián)方式連接它們可以靈活地覆蓋許多電源和電壓配置。

總結(jié)

總之,HVHB LED在采用PFC升壓配置驅(qū)動時具有體積小,PFC高,高等優(yōu)點效率高,成本低,復雜度低。所有這些都為當今市場上的CFL照明解決方案提供了極具競爭力和吸引力的解決方案。

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