淺談大功率長壽命LED照明系統(tǒng)解決方案

　隨著LED原材料市場的迅猛發(fā)展，表面貼裝器件從2001年面世，主要用在室內全彩屏，并且以其亮度高、色彩鮮艷、溫度低的特性，可隨意調整的點間距，被不同價位需求者所接受，在短短兩年多時間內，產品銷售額已超過3億元，表面貼裝全彩色LED顯示屏應用市場進入新世紀。為了適應2008年奧運會的“瘦身”計劃，利亞德開發(fā)了表面貼裝雙基色顯示屏，大量用于訓練館和比賽計時計分系統(tǒng)。在奧運場館全彩屏方面，為緊縮投資，全彩屏大部分采用可拆卸方式，奧運期間可作為實況轉播工具，賽事結束后可用于租賃，作為演出、國家政策發(fā)布等公共場合應用工具，通過這種方式可盡快收回成本。LED擁有更高的效率與更長的使用壽命。

　　下文將討論LED驅動器滿足這些要求的工作原理，并對AC/DC降壓轉換器如何高效地驅動30只同串的高亮度LED進行說明。

　　此外，本文還將給出另外一種實現方法的結構示意圖，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（Light-Emitting-Diode中文意思為發(fā)光二極管）是一種能夠將電能轉化為可見光的半導體，它改變了白熾燈鎢絲發(fā)光與節(jié)能燈三基色粉發(fā)光的原理，而采用電場發(fā)光。據分析，LED的特點非常明顯，壽命長、光效高、無輻射與低功耗。LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，其發(fā)光效率可超過150lm/W（2010年）。將LED與普通白熾燈、螺旋節(jié)能燈及T5三基色熒光燈進行對比，結果顯示：普通白熾燈的光效為12lm/W，壽命小于2000小時，螺旋節(jié)能燈的光效為60lm/W，壽命小于8000小時，T5熒光燈則為96lm/W，壽命大約為10000小時，而直徑為5毫米的白光LED光效可以超過150lm/W，壽命可大于100000小時。有人還預測，未來的LED壽命上限將無窮大。

　　LED的亮度是跟LED的發(fā)光角度有必然關系的，LED的角度越小它的亮度越高，沒有什么超亮不超亮的，那是騙小孩的，如果是質量好的LED不管是哪家LED廠家生產的大家的亮度都差不多的，只是生產工藝不一樣，使用壽命略有不同，因為大家用的都是那幾家國外的LED芯片。如果是5MM的LED180度角的白光的亮度只有幾百MCD,如果是15度角的亮度就要去到一萬多兩萬MCD的亮度了，亮度相差好幾十倍了，如果是用于照明用的，在戶外最好是用大功率的LED了，亮度就更高了，單個功率有1W,3W,5W,還有的是用多個大功率組合成一個大功率的LED,功率去到幾百都有。

　　圖一給出了結構框圖，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行隔離，由于變壓器無須隔離，其效率變得更高。

　　圖1，結構圖

　　該電源的主要目的是將整流AC輸入轉換為DC穩(wěn)壓電流，以下是一個優(yōu)化示例，示意在350mA電流下如何驅動功率達到35W的30個高亮度白光LED。該電源為LED提供了保護，限定了瞬態(tài)輸入電壓，并在熱插拔時避免了電流浪涌?？偟碾娫匆恢滦裕娫茨妇€諧波（EN），電源母線干擾，國際安全標準等）全部符合歐洲標準（EN）。[!--empirenews.page--]

　　下面是一個使用鎮(zhèn)流器對35W的T8管進行替換的示例，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，以確保設計的穩(wěn)定性。

　　圖2，使用鎮(zhèn)流器時35W的T8燈管進行替換。

　　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類標準要求

　　電磁干擾（導電性）符合EN55022 標準要求

　　電磁干擾（輻射）符合現行EN55022 標準要求

　　效率為87%

　　符合現行安全標準要求

　　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。[!--empirenews.page--]

第一級PFC

　　大多數基本的AC/DC電源在輸入線路中都會產生諧波失真且功率因數較差，因此很難滿足歐洲標準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)流器產品，則符合歐洲EN - 61000 - 3 - 2C類標準。該標準適用于所有的照明產品，包括有源輸入功率大于25W的調光設備。

　　由于LED驅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，根據內部指標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驅動器 ， 選用了LM3445恒流控制器。

　　LM3445是一個具有自適應恒定關斷時間的AC/DC降壓恒流控制器，兼容三端雙向可控硅開關（TRIAC）調光與脈沖寬度調制（PWM）信號。LM3445為大功率LED照明提供了恒定的電流值，調光解碼器允許更寬范圍的LED調光。

　　圖3 詳細地示意了LED驅動器在一個完整交流電周期內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.導通階段

　　3.斷開階段

　　4.斷開階段，能量轉移至負載

　　圖3，LED驅動器在一個完整交流電周期內Q3的漏源電壓和電流情況。

　　該LED驅動器采用恒定關斷時間控制，通過一串LED調節(jié)電流。當MOSFET導通時，通過電感器的LED電流增加，直到達到由參考電壓和電流檢測電阻限定的峰值為止。達到該峰值電流后，MOSFET關斷，同時二極管在Toff期間導通。[!--empirenews.page--]

　　為驅動更多的LED，進行了一些改進，包括成功串接了60只LED。在輸出功率為70W時，其總效率可達92%，通過并聯其他LM3445可以驅動多串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 。其中主電源一側的輸出電壓低于60V，這符合UL1310標準Class 2對最高電壓的限制要求。當隔離系統(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，而每串可串聯多達15個LED。

　　每通道最大的平均電流值可達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)調整從而使通過每個線性穩(wěn)壓器的電壓值保持最低。圖1和圖4的一個重要區(qū)別在于LM3464無需新的開關頻率，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 唯一的開關噪聲來自于AC/DC部分。

　　結論

　　本文討論了驅動更多數量LED的不同方法。第一個解決方案使用PFC作為標準的升壓裝置以驅動一個有隔離散熱裝置的LED串（30只） ，這對于需要多串多數量LED的設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燈管的詳細信息可以根據需求提供。如果設計正確，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，維護費用一直是一筆很大的開銷，而使用LED燈管能將維護費用降至最低。

　　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串中使用降壓調節(jié)器會出現問題。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）。

　　此外，中國的LED照明還存在一系列其它問題，例如中國目前還沒有LED燈具國家標準，只有一些地方的標準；我國本土LED燈具造型創(chuàng)新設計能力明顯不足等。要解決好這些問題，才能使LED產業(yè)發(fā)展更加健康，LED產品才能更適應大眾的需要。市場主導是LED照明產業(yè)可以長期健康發(fā)展的基礎，政府要在政策、法規(guī)、研發(fā)投入、應用示范和標準等多方面來引導和扶持，全國一盤棋，整體規(guī)劃，才能引導LED產業(yè)持續(xù)健康發(fā)展?！?br />