LED照明电源核心设计的难题探讨

本帖最后由 eehome 于 2013-1-5 10:01 编辑

问题：
       电解电容寿命与LED不相匹配的问题
　　LED灯闪烁的常见原因与处理办法
　　PWM 调光对LED的寿命有何影响
　　利用TRIAC调光调控LED亮度的潜在问题

　　在LED照明电源设计中，存在以下几个设计难题：电解电容寿命与LED不相匹配、LED灯闪烁的常见原因与处理办法、PWM 调光对LED的寿命有何影响、利用TRIAC调光调控LED亮度的潜在问题。安森美半导体高级应用工程经理郑宗前在文中针对这些问题的发生原因和解决方法展开论述。

　　电解电容寿命与LED不相匹配的问题
　　LED照明的一个重要的考虑因素，就是LED驱动电路与LED本身的工作寿命应该能够相提并论。虽然影响驱动电路可靠性的因素有很多，但其中电解电容对总体可靠性有至关重要的影响。为了延长系统工作寿命，需要有针对性地分析应用中的电容，并选择恰当的电解电容。
　　实际上，电解电容的有效工作寿命在很大程度上受环境温度及由作用在内部阻抗上的纹波电流导致的内部温升影响。电解电容制造商提供的电解电容额定寿命是根据暴露在最高额定温度环境及施加最大额定纹波电流条件下得出的。在105°C时典型电容额定寿命可能是5,000小时，电容所实际遭受的工作应力相比额定电平越低，有效工作寿命也就越长。因此，一方面，选择额定工作寿命长及能够承受高额定工作温度的电解电容当然能够延长工作寿命。另一方面，根据实际的应力和工作温度，仍然可以选择较低额定工作温度和额定寿命的电容，从而提供更低成本的解决方案；换个角度说，在设计中考虑保持适当的应力和工作温度，可以有效地延长电解电容的工作寿命，使其更能与LED寿命相匹配。
　　举例来说，安森美半导体符合“能源之星”固态照明标准的离线型LED驱动器GreenPoint®参考设计选择了松下的ECA-1EM102铝电解电容，其额定值为1000µF、25 V、850 mA、2,000小时及85°C。在假定50°C环境温度条件下，这电容的可用寿命超过12万小时。因此，尽力使LED驱动电路工作在适宜的温度条件并妥善处理散热问题，就能实现LED驱动电路与LED工作寿命的匹配问题。
　　总的来看，如果LED驱动电路中必须使用电解电容，那就必须努力控制电容所受的应用力及工作温度，从而最大程度延长电容工作寿命，以期与LED寿命匹配；另一方面，设计人员也应该尽可能地避免使用电解电容。

　LED灯闪烁的常见原因与处理办法
　　通常人眼能够感知到频率达70 Hz的光闪烁，高于这个频率则不会感知。故在LED照明应用中，如果脉冲信号出现频率低于70 Hz的低频分量，人眼就会感受到闪烁。当然，在具体应用中，有多种因素可能导致LED灯闪烁。例如，在离线式低功率LED照明应用中，一种常见的电源拓扑结构是隔离型反激拓扑结构。以安森美半导体符合“能源之星”固态照明标准的8 W离线型LED驱动器GreenPoint®参考设计为例，由于反激稳压器的正弦方波功率转换并未给初级偏置提供恒定能量，动态自供电(DSS)电路可能会激活并引发光闪烁。为了避免这个问题，必须使初级偏置能够在每个半周期部分放电，相应地，需要恰当选择构成这偏置电路的电容和电阻的量值。
　　另外，即使是在使用提供极佳功率因数校正、支持TRIAC调光的LED驱动应用中，也要求电磁干扰(EMI)滤波器。由TRIAC阶跃(step)引起的瞬态电流会激发EMI滤波器中电感和电容的自然谐振。如果这谐振特性导致输入电流降至TRIAC维持电流之下，TRIAC将会关闭。短暂延时后，TRIAC通常又会导通，激发同样的谐振。在输入电源波形的一个半周期内，这系列事件可能会重复多次，从而形成可见的LED闪烁。为了应对这个问题，TRIAC调光的一项关键要求就是EMI滤波器的输入电容极低，且这电容要能够通过TRIAC及绕线阻抗解耦。根据  公式，调光模块中电容减小的话，就能够增大谐振电路的电阻，原理上就抑制振荡，恢复想要的电路工作。

　　PWM 调光对LED的寿命有何影响
　　LED本身的寿命很长，PWM调光并不会损及LED的预期寿命；甚至由于PWM调光帮助减小LED发热量，实际上还能帮助延长LED预期寿命。当然，在系统设计中，需要有效地检测及控制LED温度，保证LED可靠工作，体现其长寿命和低维护成本的优势。

　　利用TRIAC调光调控LED亮度的潜在问题
　　当前TRIAC调光是一种颇受市场欢迎的调光方式。TRIAC调光器最初是为白炽灯设计的，但诸如安森美半导体这样的领先供应商也推出了支持TRIAC调光的LED驱动器，非常适合在LED照明中提供TRIAC调光。但这种方式也有其局限所在，如增加电路复杂性、影响功率因数、调光级别相对有限等问题。安森美半导体身为应用于绿色电子产品的首要高性能、高能效硅方案供应商，最新推出了用于住宅及商业LED照明应用的LED驱动器NCL30000。这器件使用临界导电模式(CrM)反激架构，以单段式拓扑结构提供高于0.95的功率因数，故又省却直流-直流(DC-DC)转换段，简化了电路。这器件即使在低电平时也提供极高能效，符合各种规范要求及整体系统光效要求。另外，这器件兼容于前沿TRIAC调光器及尾沿晶体管调光器，视乎所用的调光器，LED光输出可调至低于2%，提供优异的调光性能。

　　下面就介绍一下安森美半导体热推的LED驱动方案
　　安森美半导体推出了几款重要的高能效GreenPoint® LED驱动器参考设计，分别是：
　　1、3W至5 W LED驱动器参考设计方案。这参考设计采用适合MR16 LED替代的尺寸及特性配置，经过了精心构建及测试，用于 驱动高亮度LED。这参考设计基于降压-升压型拓扑结构，使用安森美半导体的非隔离型恒流配置、工作在约150千赫兹(kHz)频率的NCP3065开关稳压器。这参考设计电路适合轨道照明、汽车照明及景观照明等12 Vac或12 Vdc应用，不论输入线路及输出LED电压如何变化，均提供平坦的电流稳流。这参考设计还提供独特的自动检测电路，支持12 Vdc或12 Vac电源输入，同时维持目标输出电流。
2、隔离型8 W恒流LED驱动器GreenPoint®参考设计方案。这参考设计是为期望符合美国 “能源之星”(ENERGY STAR®)住宅照明应用1.1版固态照明(SSL)要求的设计人员而设，同样经过了精心构建及测试，用于驱动便携台灯、橱柜内照明及户外走廊灯等应用中的1到8颗大功率LED。这参考设计采用新颖的电路配置，无须增加额外的无源功率因数校正(PFC)网络，即可在115 Vac条件下提供高于0.85的功率因数，减少了元器件数量，并轻松满足住宅LED应用功率因数要求。这设计支持90 Vac至265 Vac的通用输入电压工作，采用安森美半导体集成了固定频率电流模式控制器和700 V  MOSFET的NCP1014开关稳压器集成电路(IC)。
　　3、 针对离线式高功率因数TRIAC调光LED驱动器的GreenPoint®参考设计。这参考设计采用了NCL30000这关键器件，旨在用于美国“能源之星”商业及住宅照明应用。NCL30000工作温度范围为-40°C至+125°C，确保能用于大多数固态照明(SSL)应用中规定的不同环境工作范围。NCL30000拥有典型值24微安(µA)的低启动电流及典型值2 mA的低工作电流，配合高能效设计。NCL30000的其它关键特性包括可编程导通时间限制器、零电流检测(ZCD)感测模块、门驱动器，以及应用CrM开关电源所需的全部其它PWM电路和保护功能。

　　安森美半导体LED驱动设计优势
　　安森美半导体提供众多不同的LED驱动方案，用于宽广范围的应用：汽车、移动/便携(手机和数码相机的LCD背光及相机闪光)、中大尺寸的LCD屏幕(笔记本、上网本、液晶电视)的LCD背光、标志、建筑物，以及通用照明。
　　安森美半导体提供的产品涵盖3种LED驱动方法：线性方案(极简单且极少外部元件)、直流-直流(DC-DC)电感型开关转换器(用于提供高能效及较大电流)，以及电荷泵开关转换器(用于提供高能效及紧凑的尺寸)。
　　安森美半导体还提供不同的LED光输出调制/调光方法：三端双向可控硅开关元件(TRIAC)调光、脉宽调制(PWM)调光、模拟调光、数字调光(DALI、I2C等)。
　　安森美半导体的LED驱动器产品可采用不同类型的电压源供电：从120 Vac到480 Vac(美国某些公路的电压规格)的交流高压、中等交流或直流电压(如汽车中的12 Vac或12 Vdc电压)、0.9至5 V的便携电池。
      
　　总的来看，无论是何种LED照明应用，无论需要何种驱动方案，无论需要何种调光方法，无论采用何种常见电源电压供电，安森美半导体均可提供适合的LED驱动器方案，满足客户的不同需求。