半導(dǎo)體大功率LED照明系統(tǒng)解決方案
由于擁有更高的效率與更長的使用壽命，led的使用日益普及。因此，供電電源需要具有更高效率，至少要有與LED相同的使用壽命。美國國家半導(dǎo)體公司提出了一款解決方案，能夠確保效率達(dá)到90%并擁有超長的使用壽命。
就THD(總諧波失真)而言，歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN61000-3-2對功率損耗超過25W的照明裝置有嚴(yán)格限制。此外，這些照明裝置需要滿足功率因數(shù)要求。為此，需要包含有源PFC(功率因數(shù)校正)，以確保輸入電流與輸入電壓吻合。
下文將討論LED驅(qū)動器滿足這些要求的工作原理，并對AC/DC降壓轉(zhuǎn)換器如何高效地驅(qū)動30只同串的高亮度LED進(jìn)行說明。
此外，本文還將給出另外一種實現(xiàn)方法的結(jié)構(gòu)示意圖，即采用隔離式AC/DC電源及一款具有動態(tài)余量控制的LM3464。通過避免電磁干擾，該方案具有極高效率。
簡介
LED正越來越廣泛應(yīng)用于照明改造、工業(yè)照明、商業(yè)照明、街道照明以及其它眾多領(lǐng)域，其效率以及使用壽命已經(jīng)得以證實，為提供更高可靠性，它需要一個良好的電源以滿足其需求。我們的第一個方案是由兩級構(gòu)成：一個前端PFC與一個LM3445 LED驅(qū)動器。
圖一給出了結(jié)構(gòu)框圖，該方案無需電流隔離并提高了工作效率?？傁到y(tǒng)效率更多地取決于AC/DC隔離變壓器。反激式PFC雖然經(jīng)濟，但效率很難超過85%。在第一個方案中，在散熱裝置和LED之間使用絕緣膠層或陶瓷層進(jìn)行隔離，由于變壓器無須隔離，其效率變得更高。
圖1：結(jié)構(gòu)圖
該電源的主要目的是將整流AC輸入轉(zhuǎn)換為DC穩(wěn)壓電流，以下是一個優(yōu)化示例，示意在350mA電流下如何驅(qū)動功率達(dá)到35W的30個高亮度白光LED。該電源為LED提供了保護(hù)，限定了瞬態(tài)輸入電壓，并在熱插拔時避免了電流浪涌。總的電源一致性(電源母線諧波(EN)，電源母線干擾，國際安全標(biāo)準(zhǔn)等)全部符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN)。
下面是一個使用鎮(zhèn)流器對35W的T8管進(jìn)行替換的示例，見圖2。在LED串開路、短路或過載的情況下，可以保護(hù)鎮(zhèn)流器以免發(fā)生故障。它確保了任何元件都不會在故障下過熱或燒毀，以確保設(shè)計的穩(wěn)定性。
圖2：使用鎮(zhèn)流器時35W的T8燈管進(jìn)行替換
鎮(zhèn)流器與T8的主要特點如下：
適用于歐洲輸入電壓范圍，但可以進(jìn)一步擴展到從85VAC?265VAC的更寬范圍。
PF為0.98
輸出電流為350mA
輸出電壓為100V±20%(取決于LED VF)
母線諧波符合EN61000 - 3 - 2 C類標(biāo)準(zhǔn)要求
電磁干擾(導(dǎo)電性)符合EN55022 標(biāo)準(zhǔn)要求
電磁干擾(輻射)符合現(xiàn)行EN55022 標(biāo)準(zhǔn)要求
效率為87%
符合現(xiàn)行安全標(biāo)準(zhǔn)要求
被動冷卻方式
溫度范圍-20 ° C?+65 °C
使用聚合物電容器延長壽命
使用共享電流的3串90 LED LCW_G5GP-GX-6S的歐司朗T8管。
第一級PFC
大多數(shù)基本的AC/DC電源在輸入線路中都會產(chǎn)生諧波失真且功率因數(shù)較差，因此很難滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN - 61000 - 3 – 2的要求。該解決方案使用PFC電路，使輸入電流波形與輸入電壓波形同樣為正弦波波形。
對于鎮(zhèn)流器產(chǎn)品，則符合歐洲EN - 61000 - 3 - 2C類標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)適用于所有的照明產(chǎn)品，包括有源輸入功率大于25W的調(diào)光設(shè)備。
PFC作為升壓轉(zhuǎn)換器，在臨界導(dǎo)通模式下運行。它提供了一個相對穩(wěn)定的輸出電壓(380VDC)，作為LED驅(qū)動器輸入電壓。LED驅(qū)動器作為恒定電流控制降壓轉(zhuǎn)換器，將更適用于整流輸入電壓。
由于LED驅(qū)動器具有更高輸入紋波，在380 VDC環(huán)境中將用較小電容。由于故障率較高，為保持長久的使用壽命，不允許使用電解電容器。
這種鎮(zhèn)流器使用EPCOS薄膜電容器來替代電解電容，根據(jù)內(nèi)部指標(biāo)對所有組件的額降值加以限定，這最大限度地減小了故障率，延長了整個系統(tǒng)的使用壽命。
第二級是LED驅(qū)動器，選用了LM3445恒流控制器
LM3445是一個具有自適應(yīng)恒定關(guān)斷時間的AC/DC降壓恒流控制器，兼容三端雙向可控硅開關(guān)(TRIAC)調(diào)光與脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號。LM3445為大功率LED照明提供了恒定的電流值，調(diào)光解碼器允許更寬范圍的LED調(diào)光。圖3詳細(xì)地示意了LED驅(qū)動器在一個完整交流電周期內(nèi)Q3的漏源電壓和電流情況。
該周期可劃分為幾個不同階段，曲線如下：
1.閉合階段
2.導(dǎo)通階段
3.斷開階段
4.斷開階段，能量轉(zhuǎn)移至負(fù)載
圖3：LED驅(qū)動器在一個完整交流電周期內(nèi)Q3的漏源電壓和電流情況
該LED驅(qū)動器采用恒定關(guān)斷時間控制，通過一串LED調(diào)節(jié)電流。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時，通過電感器的LED電流增加，直到達(dá)到由參考電壓和電流檢測電阻限定的峰值為止。達(dá)到該峰值電流后，MOSFET關(guān)斷，同時二極管在Toff期間導(dǎo)通。
為驅(qū)動更多的LED，進(jìn)行了一些改進(jìn)，包括成功串接了60只LED。在輸出功率為70W時，其總效率可達(dá)92%，通過并聯(lián)其他LM3445可以驅(qū)動多串LED(每串30只)，但將需要更多電纜，以連接LED 。
圖4：采用多串LED的解決方案
另一種方法如圖 4 所示 。其中主電源一側(cè)的輸出電壓低于60V，這符合UL1310標(biāo)準(zhǔn)Class 2對最高電壓的限制要求。當(dāng)隔離系統(tǒng)中要求限定次級電壓時，唯一的選擇是多串LED。
在次級，LM3464是一款多通道LED驅(qū)動控制器。作為線性穩(wěn)壓器，每個LM3464最多可控制四個外部功率N-MOSFET，因此，能夠控制多串LED，而每串可串聯(lián)多達(dá)15個LED。
每通道最大的平均電流值可達(dá)500mA，圖 4 示意了LM3464如何控制絕緣AC/DC 初級離線電源，通過LM3464發(fā)出的指令可以對Vo動態(tài)調(diào)整從而使通過每個線性穩(wěn)壓器的電壓值保持最低。Vo的調(diào)節(jié)基準(zhǔn)是參考電壓最高的LED串通道。即使每通道的驅(qū)動電流達(dá)350mA，LM3464的功率效率也可超過95%。圖1和圖4的一個重要區(qū)別在于LM3464無需新的開關(guān)頻率，這對于控制EMI而言極為重要，因為隨著總功率的增加EMI會越來越難以控制，而 唯一的開關(guān)噪聲來自于AC/DC部分。
結(jié)論
本文討論了驅(qū)動更多數(shù)量LED的不同方法。第一個解決方案使用PFC作為標(biāo)準(zhǔn)的升壓裝置以驅(qū)動一個有隔離散熱裝置的LED串(30只) ，這對于需要多串多數(shù)量LED的設(shè)計工程師來講是一個極具吸引力的選擇。示例著重于LED的更換，LED燈管的詳細(xì)信息可以根據(jù)需求提供。如果設(shè)計正確，除了高能效以外，LED燈管和鎮(zhèn)流器都有很長的使用壽命。對于傳統(tǒng)的照明裝置來講，維護(hù)費用一直是一筆很大的開銷，而使用LED燈管能將維護(hù)費用降至最低。
第二個解決方案使用一個一次電源和動態(tài)余量控制的多通道線性穩(wěn)壓器。工程師想給每串LED串配備一個專屬電源，但是在每個LED串中使用降壓調(diào)節(jié)器會出現(xiàn)問題。對于他們來講，這個解決方案確實極具吸引力。該LM3464提供了一個體積更小，價格更便宜，使用更簡單的選擇，同時保持高功率效率、高可靠性和極佳的電磁兼容性能(EMC)。
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