LED电源技术调研分析报告.docx
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LED电源技术调研分析报告.docx
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LED电源技术调研分析报告
LED電源技術調研分析報告
摘要:
本文首先通過對LED電源的現狀分析,然後結合LED的特點進行分析,論述。
在此基礎上,總結出LED電源的技術參數要求。
本文可作為後續LED電源設計開發工作繼續進行的理論基礎。
關鍵字:
標準LEDVI曲線效率光通量效率曲線恒流功率因數EMC
✧LED電源的現狀分析
1)LED電源的現狀
LED電源也是一個配套產品,現在做LED電源的人確實很多,但是能做好的卻不多。
主要原因:
1.生產LED照明及相關產品的公司的技術人員對開關電源的瞭解不夠,做出的電源是可以正常工作,但一些關鍵性的評估及電磁相容的考慮不夠,還是有一定得隱患。
2.大部分LED電源生產企業都是從普通的開關電源轉型過來做LED電源,對LED的特點及使用認識還不夠。
3.現在關於LED的標準幾乎沒有,大部分都是參考開關電源和電子整流器的標準。
4.現在大部分LED電源沒有統一,所以量大部分都比較小。
採購量小,價格就偏高,而且元器件供應商也不太配合。
在市場LED產品如火如荼的發展態勢下,就LED驅動電源企業而言,目前面臨幾個挑戰。
1.LED電源的穩定性:
寬電壓輸入,高溫和低溫工作,溫度保護等問題都沒有一一解決。
2.首先是驅動電路整體壽命,尤其是關鍵器件如:
電容在高溫下的壽命直接影響到電源的壽命。
3.是LED驅動器應挑戰更高的轉換效率,尤其是在驅動大功率LED時更是如此,因為所有未作為光輸出的功率都作為熱量耗散,電源轉換效率的過低,影響了LED節能效果的發揮。
4.目前在功率較小(1-5W)的應用場合,恒流驅動電源成本所占的比重已經接近1/3,已經接近了光源的成本,一定程度上影響了市場推廣。
✧選擇和設計LED電源必須考慮的問題
1)LED的特點分析:
LED由於環保、壽命長、光電效率高等眾多優點,近年來在各行業應用得以快速發展,LED的驅動電源更成了關注熱點,理論上,LED的使用壽命在10萬小時以上,但在實際應用過程中,由於驅動電源的設計及驅動方式選擇不當,使LED極易損壞。
LED的具體特點有:
1.LED是電流隨電壓的變化很大。
2.LED是電壓與溫度是變化成反比。
3.LED的光通量隨溫度的升高而降低。
4.LED的壽命隨溫度的升高而減小。
5.LED的正向VF值。
下面以Cree7090XR-E為例進行分析,下圖分別為:
(圖1)是基本的參數;(圖2)為光通量與節溫的曲線;(圖3)為VI曲線。
圖
(1)
(圖2)(圖3)
2)配套LED的驅動電源要求
根據LED特點,使用配套電源時要注意:
1.根據LED電流和電壓特點,比較理想的是使用恒流驅動。
它能避免LED正向電壓的改變而引起電流變動,同時恒定的電流使LED的亮度穩定。
2.另外,LED光通量與溫度成反比,所以使用中應儘量減少電源發熱和設計良好的散熱系統。
從而降低LED的工作的溫度。
3.為了保證LED的整體壽命必須將LED的節溫控制在一定的範圍內。
根據電網的用電的特點,LED特性的要求以及相關LED產品,在選擇和設計LED驅動電源時要考慮到以下幾點:
1.高可靠性
LED產品主要是有LED和電源,外殼,控制電路等組成。
其中LED電源的好壞直接影響了產品的好壞。
特別是LED路燈產品,由於裝在高空,維修不方便,維修的花費也大。
2.高效率
LED是節能產品,驅動電源也要符合節能的要求。
特別是電源安裝在燈具內的結構,尤為重要。
因為LED的發光效率隨著LED溫度的升高而下降。
電源的效率高,它的耗損功率小,在燈具內發熱量就小,也就降低了燈具的溫升。
可延緩LED的光衰有利。
3.高功率因素
參考日關燈電子整流器的要求≥25W功率的必須有高功率因素。
4.恒流驅動方式
為了配合LED的VI特性,所以LED電源必須使用恒流驅動的方式。
5.浪湧保護
LED抗衝擊能力比較差,所以要加強這方面的保護。
特別是一些裝在戶外的產品,由於電網負載的啟動和雷。
因此LED驅動電源要有抑制浪湧的侵入,保護LED不被損壞的能力。
6.溫度保護功能
電源除了常規的保護功能外,最好在恒流輸出中增加LED溫度負反饋,防止LED溫度過高。
7.LED電源壽命
驅動電源的壽命要與LED的壽命相配和。
8.安規和電磁相容的要求。
為是產品滿足各國標準及市場的要求。
9..工作環境問題:
由於各個地方的環境的不同。
10.軟啟動電路
考慮到電源的工作方式,如果不加軟啟動電路,通電瞬間,輸出會有一個電壓尖峰。
為更好的保護LED,所以需要加軟啟動電路。
12.溫度保護功能
由於LED的溫度直接影響到其壽命,所以必須對LED的溫度加以控制。
當LED的溫度達到一定值後,溫度保護開始起控,將LED的功率減小,使其溫度降低。
3)LED照明發展中一些爭議
1.擔心散熱不會很好解決
散熱主要看我們設計的方式。
在設計LED燈具長期受使用燈泡(點光源)結構概念影響,總會認為散熱解決難度高。
沒有跡象表明只有設計像燈泡結構才可以在照明市場廣泛採用,應該拋開現有傳統概念,要有突破性的構思與發展。
傳統燈具結構也是不斷發展才會有現在的結構,圓體積比較符合真空需要,可以承受幾千高溫度,所以它可以設計比較集中的光源。
LED只能承受150℃結溫度,現階段只要是LED價格可以接受的領域,都得到很好的應用和發展。
並沒有受到散熱條件的限制而不能採用LED。
溫度,通常很多要求LED產品表面溫度50℃以內,這種心態是不對的。
要看我們具體使用環境條件,在很多環境溫度不能保證在25℃,要實現產品表面50℃顯然是困難的。
在設計LED產品時最需要考慮LED結溫度。
如果表面溫度很低,熱量未散出,結溫度超過合理值,很顯然這產品設計是很失敗!
反過來,LED產品設計的散熱熱阻很小,結溫度保持在合理範圍內,即使產品外殼溫度達到了70℃,我認為也是可以接受的。
2.擔心安規問題LED
沒有明確的檔遵循,不會影響LED進程。
很多產品沒有相應標準,不都發展的好好的嘛!
LED電源與現行的電壓開關電源產品在安規方面不會有太大區別,安全規定適用LED產品,只是光源不同,沒有本質的區別。
就算新出臺針對LED安全規定,也一定是有利於LED未來發展方向,不可能出現限制條款。
3.擔心使用電解電容壽命短影響LED進程
我們不能拿電解電容壽命判定LED產品壽命,理論值與實際值會相錯很遠,宣傳中LED有10萬小時壽命,這一理論值很難得到印證。
電解電容在現有的燈具廣泛應用,也沒有看到會有那麼嚴重的後果。
電子產品不可能保證100%不損壞,LED產品也是一樣,其他器件壽命落後於LED器件,市場會迫使電解電容更新或新器件誕生。
不會影響LED照明發展進程,擔心實屬多餘。
LED可以承受合適的脈動直流驅動,在某些領域可以不需要濾波。
✧發展趨勢
未來LED肯定是需要恒流方式點亮。
LED照明是新型產業,沒有可參考模式,需要原創設計才可以迎合市場需求,市場的初創需求顯得非常重要。
更需要的是驅動新概念,突破性驅動設計概念是指引LED照明線路設計,及IC規劃設計未來的基礎。
為LED照明應用設計奠定堅實的基礎。
1)前沿技術IC的發展趨勢
1.隨著全球的對節能要求的提高,對LED產品的效率也相應的要求比較高。
一些IC設計企業也加大投入努力的提高產品的效率。
現階段DCTODC的效率最高已可以做到97%.
2.由於一些燈具和產品結構的限制,為滿足更小空間,更大功率。
IC工作頻率也是進一步提升。
現階段IC的工作頻率都達到了5MHz.
3.IC的耐溫也進一步提升,現階段的IC的節溫都可以達到160℃
4.隨著LED產業的發展,IC設計對LED相應的應用和保護考慮的越來越全面。
現階段已經針對LED應用,增加了,恒流功能;過溫保護;調光功能;寬電壓輸入;溫度控制埠;過壓保護等。
5.在IC設計中更充分考慮電磁相容的需求,並開發出了一些新的技術。
如:
增加抖頻技術抑制EMI。
6.隨著電網對功率因數的要求,IC前沿設計也在努力的改善功率因數。
2)LED應用的發展
1.針對LED的特點開發一系列恒壓恒流控制電子電路,利用積體電路技術將每顆LED的輸入電流控制在最佳電流值,使得LED能獲得穩定的電流,並產生最高的輸出光通量。
LED驅動電路在輸入電壓和環境溫度等因素發生變動的情況下最好能控制LED電流的大小。
2.LED驅動電路具有智慧控制功能,使LED的負載電流能夠在各種因素的影響下都能控制在預先設計的水準上。
當負載電流因各種因素而產生變化時,初級控制IC可以通過控制開關使負載電流回到初始設計值上。
3.在控制電路電路設計方面,要向集中控制,標準模組化,系統可擴展性三方面發展。
4.在目前LED光效和光通量有限的情況下,充分發揮LED色彩多樣性的特點,開發變色LED燈飾的控制電路。
✧設計LED電源的整體思路
已經介紹過LED電源的需要注意的地方及對整個產品的重要性,首先,我們瞭解一下我們常用的LED電源的幾種工作方式參考(圖4)
圖4
設計LED驅動電源的理念
1.LED的VF電壓都很低,一般VF=1.8-3.8V,普通LED的IF在13-20mA;大功率LED的IF在300-1400mA;因此LED電源的輸出電壓是VFXN或VFX1,IF恒流在13-1400mA。
2.大功率LED是低電壓、大電流的驅動器件,其發光的強度由流過LED的電流決定,電流越大,光強越高,功耗也越大,同樣發熱也越大,所引起LED的衰減也越大。
所以在設計LED電流時要綜合LED光強和發熱,將LED電流設定在最合適的值。
3.隨著大功率LED的發展和應用的日益廣泛,功率型LED驅動顯得越來越重要。
對於用市電驅動大功率LED電源。
還需要解決隔離、PFC(功率因素校正)問題。
4.設計LED電源是一定要考慮到通用性和相容性。
例如:
1x3W、3xW、1W應該是可以採用統一的方案和PCB等。
5.在LED領域,要體現出節能和長壽命的特點,LED電源也要與其匹配。
6.作為一個設計人員不僅要設計好的產品,而且要將成本控制在儘量低的範圍內。
這就需要工程師對元器件的價格和生產工藝有一定的瞭解。
✧現階段重點要做的工作及要解決的問題
1)、日關燈電源專案的相關工作
首先從我們分析一下目前市場推廣的一些方案:
電路結構
優點
缺點
1.遲滯型轉換器,電路結構簡單,使用方便。
2.體積可以做得比較小,可以直接裝到光源底部。
3.價格相對便宜點。
4.效率較高。
1.輸出電流誤差比較大,達到10%
2.不隔離的輸出為高壓。
3.功率因數不容易做得較高。
4.電路的穩定性不夠。
1.Buck電路結構,性能相對穩定
2.體積可以做得比較小,可以直接裝到光源底部。
3.電路採用雙閉環控制,恒流精度可以做得比較高可達到4%。
1.價格比較高。
2.設計相對比上一種複雜。
3.功率因數不容易做得較高。
4.不隔離的輸出為高壓。
1.功率因數可以做的比較高可達到0.9以上。
2.初次級為隔離相對安全。
3.電路採用單級PFC反激電路,性能穩定。
4.恒流精度可以做得較高。
1.電路設計比較複雜
2.變壓器不好設計。
3.價格相對第一種高
4.效率相對不夠高
1.反激電路結構,性能穩定。
2.初次級為隔離相對安全。
3.恒流精度可以做得較高。
4.價格相對便宜。
1.電路設計比較複雜。
2.功率因數相對較低。
3.效率相對較低。
目前,我司採用的是第一種方案,此種方案優點很明顯,但缺點也很突出。
在新的電源還沒有開發出來時,建議暫時使用此種電源。
通過以上對比我們不難看出,第三種電路是比較合適的方案。
但第三種方案結合日光燈外殼還有一些問題有待解決。
主要問題有:
1.電源的整體高度偏高,不容易安裝。
2.由於是裝在燈殼裏面,電解電容的使用壽命不夠。
3.初次級高壓絕緣問題。
4.認證問題。
5.不用去掉傳統的電子整流器和啟輝器,直接使用的問題。
針對以上問題,後期的工作重點就是解決以上問題。
1.目前按照照通用的變壓器結構,是不容易將高度做的比較低。
解決此問題可以採用兩種方法:
a用兩個變壓器,採用串並聯的方式。
b採用平面變壓器結構,可以降低高度。
2.由於普通的電解電容的壽命,受電解液和溫度的限制,所以使用電解電容有可能會影響到產品的壽命。
因為電解電容在電源裏面主要的作用就是濾波,是輸出電壓比較平穩。
但LED不一定要平穩的直流電才可以點亮,所以可以採用一些容量較大的無極性瓷片電容。
來解決電容壽命及整個電源壽命的問題。
3.由於LED散熱的需要和外觀的要求,日光燈的外殼大都採用金屬結構的。
這就得高壓比較難通過。
要解決此問題:
a電源本身高壓必須通過。
主要影響高壓的元件就是變壓器,變壓器次級採用三重絕緣線基本上就可以解決電源本身高壓的問題。
b初級的器件(電源)必須與次級(外殼和光源部分)有足夠的距離。
按照我國電壓的要求距離至少要大於6.5mm。
由於外殼內部空間有限要保證大於6.5mm的距離,只有通過採用絕緣材料隔離和將電源整體灌膠的方式。
另外,膠水有一定得導熱性,灌膠以後可是使整個燈具的熱更平均,這樣不僅有利於解決高壓的問題也會讓電源更加穩定。
4.通過跟認證機構的瞭解,目前關於LED日光燈的標準還沒有,做認證時都是參考LED電子整流器的標準。
根據電子整流器的標準LED日光燈必須滿足諧波、功率因數(PFC)、電磁相容(EMC)、安全等的要求。
所以在前期設計時,必須考慮到以上的要求,並增加相關的電路。
5.首先瞭解一下日光燈工作特點:
a日光燈管兩端裝有燈絲,玻璃管內壁塗有一層均勻的薄螢光粉,管內被抽成真空度,充入氖氣,同時還注入微量的液態水銀。
當通電後,電壓通過啟輝器產生一個400-600V,100mA,持續時間1S左右高壓使燈絲發熱,同時使氖氣發光。
由於燈絲發熱時裏面的液態水銀蒸發。
從而使燈管兩端導通點亮。
圖五為啟輝器接線示意圖
圖五
要想直接替代電子整流器或啟輝器,啟動瞬間的電源必須能承受600V以上的交流電壓,不損壞。
為了使600V的高壓不至使電源損壞:
a將電源輸入電壓設計在600V以上工作,就目前的技術及元器件的市場看,還是有很大的難度,成本也會比較高。
b將這個600V,電流100mA,持續時間1S的能量鉗位在265V以下。
這樣相對容易實現。
二)、路燈配套電源項目
目前,市場上電源的工作方式主要有兩種:
第一種是整體恒流。
第二種是逐路恒流。
這兩種工作方式各有優缺點:
整體恒流
逐路恒流
優點
缺點
優點
缺點
1.成本比較低。
2.電磁相容容易處理。
3.LED光源板容易設計,可以直接並聯。
4.整體效率高可以達到90%以上
5.接線容易,光源板只需要2根導線就可以了。
1.對LED的VF值一致性要求很高,否則會造成電流不平衡,從而損毀。
1.對LED的VF一致性要求不高,而且每一路電流很平均。
LED工作比較可靠。
1.成本比較高。
2.電磁相容不容易處理。
3.整體效率不高最高達到85%
4.接線容易,光源板只需要2根導線就可以了。
從以上對比可也看出,逐路恒流雖然缺點比較多,成本也比較高。
但是它能真正的起到保護LED和延長LED的壽命,所以我認為逐路恒流才是未來的趨勢。
在此我選擇的是逐路恒流的工作方式:
由於LED路燈是使用在戶外,為配合客戶及市場的要求。
結合產品主要是的特點。
我認為要做好LED路燈電源的難點主要是高壓部分的設計,具體有:
1.高穩定性,高功率因數。
2.長壽命,至少達到5000小時以上。
3.較高的整體效率。
4.超強的環境適應能力。
如工作環境溫度-20-60度雷擊4KV等。
5.防水等級要達到IP66以上。
針對以上問題,後期的工作重點就是解決以上問題。
1.要滿足高功率因數和效率的,LLC效率是比較高的,但是不夠穩定.因為它是靠變壓器的漏感諧振工作的。
正激加同步整流效率也比較高,但目前正激同步整流技術比較複雜。
准諧振加同步整流相對以上兩種,效率稍微偏低,但穩定性好,方案成熟。
所以選擇准諧振加同步整流。
2.因為准諧振加同步整流的方案不能沒有電解電容。
所以在設計和元器件選擇餘量比較大,壽命較高的電解電容。
同時,為滿足工作環境的要求,所使用的元器件至少要選用-20-105度的耐溫。
3.在輸入端為滿足電磁相容和雷擊等要求,需要加防雷擊電路和EMC濾波電路。
一些高頻的地方還要做遮罩處理。
4.電源的採用灌膠處理,以滿足IP防護等級的要求。
附錄:
功率因數
A.功率因數是加在負載上的電壓和電流波形之間的相角余弦(若電壓波形與電流波形的相角差為φ,則cosφ便是電源的功率因數)。
當加在負載上的電壓和電流波形相位一致時(即相角差φ=0),則功率因數cosφ=1是理想的情況;當加在負載上的電壓和電流波形相角差為90°時(即φ=90°),則功率因數等於零(處於最小值);通常,電源的功率因數處於0到1之間,即0≤cosφ≤1,可用百分數表示。
B.加在負載上的電壓和電流波形之間存在相位差導致的結果之一是供電效率降低,即產生所要求的電力需要輸入更大的電力。
導致的另外一個結果是電壓和電流的波形差產生過多的高次諧波。
大量的高次諧波回饋到主輸入線(電網),造成電網被高次諧波污染。
同時,這種高次諧波也會擾亂控制系統裏的敏感低壓電路。
C.交流系統裏實際功率等於視在功率乘以功率因素。
目前,基本上所有的電源都有功率因素的指標,我國傳統的節能燈功率因素為0.5
銘科半導體工程技術有限公司
工程部田超
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