《電子技術(shù)應(yīng)用》
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LED照明驅(qū)動電源電路設(shè)計技術(shù)應(yīng)用的能效問題
摘要: 驅(qū)動LED面臨著不少挑戰(zhàn),如正向電壓會隨著溫度、電流的變化而變化,而不同個體、不同批次、不同供應(yīng)商的LED正向電壓也會有差異。
Abstract:
Key words :

        LED驅(qū)動器通用要求 

       驅(qū)動LED 面臨著不少挑戰(zhàn),如正向電壓會隨著溫度、電流的變化而變化,而不同個體、不同批次、不同供應(yīng)商的LED 正向電壓也會有差異;另外,LED 的“色點”也會隨著電流及溫度的變化而漂移。 

        另外,應(yīng)用中通常會使用多顆LED,這就涉及到多顆LED 的排列方式問題。各種排列方式中, 首選驅(qū)動串聯(lián)的單串LED,因為這種方式不論正向電壓如何變化、輸出電壓(Vout)如何“漂移”,均提供極佳的電流匹配性能。 

         功率" title="功率">功率因數(shù)校正 

         美國能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR)固態(tài)照明(SSL)規(guī)范中規(guī)定任何功率等級皆須強(qiáng)制提供功率因數(shù)校正(PFC)。這標(biāo)準(zhǔn)適用于一系列特定產(chǎn)品,如嵌燈、櫥柜燈及臺燈,其中,住宅應(yīng)用的LED 驅(qū)動器功率因數(shù)須大于0.7,而商業(yè)應(yīng)用中則須大于0.9;但是,這標(biāo)準(zhǔn)屬于自愿性標(biāo)準(zhǔn)。歐盟的IEC61000-3-2 諧波含量標(biāo)準(zhǔn)中則規(guī)定了功率大于25 W 的照明應(yīng)用的總諧波失真性能,其最大限制相當(dāng)于總諧波失真(THD)0.94。 

          雖然不是所有國家都絕對強(qiáng)制要求照明應(yīng)用中改善功率因數(shù),但某些應(yīng)用可能有這方面的要求,如公用事業(yè)機(jī)構(gòu)大力推動擁有高功率因數(shù)的產(chǎn)品在公用設(shè)施中的商業(yè)應(yīng)用,此外,公用事業(yè)機(jī)構(gòu)購入/維護(hù)街燈時,也可以根據(jù)他們的意愿來決定是否要求擁有高功率因數(shù)(通常>0.95+)。

 

圖1:有源PFC的應(yīng)用電路示意圖 

         PFC 技術(shù)包括無源 PFC 及有源PFC 兩種。無源PFC 方案的體積較大,需要增加額外的元件來更好地改變電流波形,能夠達(dá)到約0.8 或更高的功率因數(shù)。其中,在小于5 W 至40 W 的較低功率應(yīng)用中,幾乎是標(biāo)準(zhǔn)選擇的反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只需要采用無源元件及稍作電路改動,即可實現(xiàn)高于0.7 的功率因數(shù)。 

        有源 PFC(見圖1)通常是作為一個專門的電源轉(zhuǎn)換段增加到電路中來改變輸入電流波形。有源PFC 通常提供升壓,交流100 至277 Vac的寬輸入范圍下,PFC 輸出電壓范圍達(dá)直流450 至480 Vdc。如果恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計PFC 段,可以提供91%到95%的高能效" title="能效">能效。但增加了有源PFC,仍然需要專門的DC-DC 轉(zhuǎn)換來提供電流穩(wěn)流。 

        LED驅(qū)動器通用要求 

       驅(qū)動LED 面臨著不少挑戰(zhàn),如正向電壓會隨著溫度、電流的變化而變化,而不同個體、不同批次、不同供應(yīng)商的LED 正向電壓也會有差異;另外,LED 的“色點”也會隨著電流及溫度的變化而漂移。 

        另外,應(yīng)用中通常會使用多顆LED,這就涉及到多顆LED 的排列方式問題。各種排列方式中, 首選驅(qū)動串聯(lián)的單串LED,因為這種方式不論正向電壓如何變化、輸出電壓(Vout)如何“漂移”,均提供極佳的電流匹配性能。 

         功率因數(shù)校正 

         美國能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR)固態(tài)照明(SSL)規(guī)范中規(guī)定任何功率等級皆須強(qiáng)制提供功率因數(shù)校正(PFC)。這標(biāo)準(zhǔn)適用于一系列特定產(chǎn)品,如嵌燈、櫥柜燈及臺燈,其中,住宅應(yīng)用的LED 驅(qū)動器功率因數(shù)須大于0.7,而商業(yè)應(yīng)用中則須大于0.9;但是,這標(biāo)準(zhǔn)屬于自愿性標(biāo)準(zhǔn)。歐盟的IEC61000-3-2 諧波含量標(biāo)準(zhǔn)中則規(guī)定了功率大于25 W 的照明應(yīng)用的總諧波失真性能,其最大限制相當(dāng)于總諧波失真(THD)0.94。 

          雖然不是所有國家都絕對強(qiáng)制要求照明應(yīng)用中改善功率因數(shù),但某些應(yīng)用可能有這方面的要求,如公用事業(yè)機(jī)構(gòu)大力推動擁有高功率因數(shù)的產(chǎn)品在公用設(shè)施中的商業(yè)應(yīng)用,此外,公用事業(yè)機(jī)構(gòu)購入/維護(hù)街燈時,也可以根據(jù)他們的意愿來決定是否要求擁有高功率因數(shù)(通常>0.95+)。

 

圖1:有源PFC的應(yīng)用電路示意圖 

         PFC 技術(shù)包括無源 PFC 及有源PFC 兩種。無源PFC 方案的體積較大,需要增加額外的元件來更好地改變電流波形,能夠達(dá)到約0.8 或更高的功率因數(shù)。其中,在小于5 W 至40 W 的較低功率應(yīng)用中,幾乎是標(biāo)準(zhǔn)選擇的反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只需要采用無源元件及稍作電路改動,即可實現(xiàn)高于0.7 的功率因數(shù)。 

        有源 PFC(見圖1)通常是作為一個專門的電源轉(zhuǎn)換段增加到電路中來改變輸入電流波形。有源PFC 通常提供升壓,交流100 至277 Vac的寬輸入范圍下,PFC 輸出電壓范圍達(dá)直流450 至480 Vdc。如果恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計PFC 段,可以提供91%到95%的高能效。但增加了有源PFC,仍然需要專門的DC-DC 轉(zhuǎn)換來提供電流穩(wěn)流。 

        能效問題 

        LED 照明應(yīng)用的能效需要結(jié)合功率輸出來考慮。美國“能源之星”固態(tài)照明規(guī)范規(guī)定了照明器具級的能效,但并不涉及單獨 LED 驅(qū)動器的能效要求。如前所述,采用AC-DC 電源的LED應(yīng)用可以采用兩段式分布拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 故可能采用外部AC-DC適配器供電。 

        而“能源之星”的確包含有關(guān)單輸出外部電源的規(guī)范,其 2.0 版外部電源規(guī)范于2008 年11 月開始生效,要求標(biāo)準(zhǔn)工作模式下最低能效達(dá)87%,而低壓工作模式下最低能效達(dá)86%;在此規(guī)范中,功率大于100 W 時才要求PFC。 

圖2:美國能源部2008年秋季提出的LED照明燈具能效研發(fā)目標(biāo) 

        而在采用AC-DC 電源的LED 應(yīng)用中,要提供更高的AC-DC 轉(zhuǎn)換能效,就涉及到成本、尺寸、性能規(guī)范及能效等因素之間的折衷問題。例如,若使用更高質(zhì)量的元件、更低導(dǎo)通阻抗(RDSon),就可降低損耗及改善能效;降低開關(guān)頻率一般會改善能效,但卻會增加系統(tǒng)尺寸。諸如諧振這樣新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供更高能效,卻也增加設(shè)計及元件的復(fù)雜度。如果我們將設(shè)計限定在較窄的功率及電壓范圍,則可以幫助優(yōu)化能效。 

         驅(qū)動器標(biāo)準(zhǔn) 

         LED 驅(qū)動器本身也在不斷演進(jìn), 著重于進(jìn)一步提高能效、 增加功能及功率密度。 美國“能源之星”的固態(tài)照明規(guī)范提出的是照明器具級的能效限制,涉及包括功率因數(shù)在內(nèi)的特定產(chǎn)品要求。而歐盟的IEC 61347-2-13 (5/2006)標(biāo)準(zhǔn)針對采用直流或交流供電的LED模塊的要求包括: 

        最大安全特低電壓(SELV)工作輸出電壓≤25 Vrms (35.3 Vdc) 

       不同故障條件下“恰當(dāng)”/安全的工作 

       故障時不冒煙或易燃 

        此外,ANSI C82.xxx LED 驅(qū)動器規(guī)范仍在制定之中。而在安全性方面,需要遵從UL、CSA 等標(biāo)準(zhǔn),如UL1310 (Class 2)、UL 60950、UL1012。此外,LED 照明設(shè)計還涉及到產(chǎn)品壽命周期及可靠性問題。

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