LED驅(qū)動電源的正確選取方法及器件配置

由于LED節(jié)能、使用壽命長、耐用及設(shè)計靈活，目前LED正在快速取代室內(nèi)和室外照明設(shè)備中的白熾燈和熒光燈。但選擇正確的LED只是設(shè)計方程的一部分。 為了使您的固態(tài)照明設(shè)計實現(xiàn)全面的效率、耐久性和使用壽命，您需要選擇合適的電源，把您的應(yīng)用要求和所使用的LED相匹配。本文將為您提供一些有用的建議，在選擇電源過程中需要考慮的地方。

相關(guān)背景介紹

LED的電源電壓一旦等于或大于二極管的正向壓降(通常在2-3V的區(qū)域)，LED就開始產(chǎn)生光。完全亮度所需的電流因設(shè)備而異，但對于1W的LED(通常是照明應(yīng)用中最小的尺寸)通常為350mA。與白熾燈不同，LED是非線性設(shè)備。這意味著一旦電源電壓超過二極管的正向電壓，通過的電流隨著電源電壓而呈指數(shù)增長。沒有某種形式的電流調(diào)節(jié)，LED芯片將成為昂貴的、單穩(wěn)態(tài)閃光燈泡。

為了防止這種情況，電源必須在合適的電流下提供合適的電壓。最簡單的方法是選擇一個輸出電壓大于所選LED正向電壓的電源，并使用限流電阻將電流限制在LED制造商指定的最大值。這種方法的缺點是，LED照明的一個主要優(yōu)點高效率會受到限流裝置耗散的功率的影響。

這種方法的另一個問題是LED結(jié)溫影響了正向電壓。由于電源的輸出電壓是固定的，這反過來意味著如果限流裝置兩端的電壓發(fā)生變化，因此電流也會改變。變化的電流將影響發(fā)射的光量，降低LED的可靠性。最好的方法是用恒定電流源驅(qū)動LED。這樣，可以將電流設(shè)置為LED制造商指定的最大值，以實現(xiàn)最大的效率和可靠性，或者實現(xiàn)所需的精確亮度，并且還可以在LED或環(huán)境溫度變化時消除結(jié)溫的影響。

在照明應(yīng)用中，使用LED的一個好處是易于改變亮度。這可以通過改變通過LED的電流來實現(xiàn)，但是，以小于其最大電流運行LED會降低效率并且可能導(dǎo)致顏色的輕微變化。因此，更好的方法是將電流在零和最大值之間進行脈沖以改變發(fā)射的平均光。只要這是在足夠高的頻率完成的，以避免脈沖被人眼看作是閃光，這是實現(xiàn)調(diào)光的最佳方式。電流的脈沖通常以固定頻率進行，零與全電流的比值發(fā)生變化。這是脈寬調(diào)制(PWM)方法。

選擇電源

為照明應(yīng)用選擇電源的類型將基于幾個因素。首先，考慮應(yīng)用運行的環(huán)境。應(yīng)用是在室內(nèi)還是室外?電源是否需要防水或需要特殊的IP等級?電源是否能夠使用傳導(dǎo)冷卻或只使用對流冷卻?

接下來，要定義整體功率要求。單個燈具可能只需要一個小的電源，但一個復(fù)雜的系統(tǒng)可能需要提供數(shù)百瓦的電源。另外，還需要其他功能嗎?例如，電源是否需要在簡單的恒壓模式還是恒流模式下工作，應(yīng)用是否需要調(diào)光?

法規(guī)和規(guī)定很重要

那么，現(xiàn)在是考慮法規(guī)的時候了。整個系統(tǒng)是否需要在一定的諧波電流范圍內(nèi)運行?它是否需要符合照明的安全標準，還是ITE電源就足夠了?而在這個能源敏感的時代，電源如何有效地滿足當?shù)鼗騾^(qū)域標準?

同樣重要的是，在一些地方政府機構(gòu)會向符合特定效率和功率因數(shù)校正水平的產(chǎn)品提供折扣或其他補貼，產(chǎn)品有在這些地方出售嗎?同樣，了解您的設(shè)計標準是否符合要求，這一點也很重要，包括關(guān)閉電源時電源耗電量的任何要求。

安全標準

適用于照明系統(tǒng)的有各種標準。國際上，IEC61347第1部分涵蓋了燈具控制裝置的一般安全要求，和第2部分第13(2)節(jié)適用于LED模塊電源。美國有UL8750，歐洲有EN61347，都是以章節(jié)命名的IEC格式。

諧波電流

照明應(yīng)用通常要求諧波電流發(fā)射要滿足EN61000-3-2的要求，而照明類別為C類。在此類別中，對于25W以上有源輸入功率的有一組限制，對于25W及以下的則為另一套。但是，該標準僅提及25W及以下的放電照明。

為了滿足25W以上的限制，通常需要功率因數(shù)校正，并且由于限制是以安培數(shù)的百分比計算而不是絕對值計算，所以最好使用專門用于照明應(yīng)用的電源，而不是ITE型電源。但是，只要照明負載高于電源滿負荷額定值的40-50%，ITE電源可能會達到極限。

這邊舉一個例子，XP Power的IP67級DLE系列是專為LED照明應(yīng)用而設(shè)計的電源系列。該系列產(chǎn)品包括15，25，35和60瓦特型號，符合EN61347和UL8750安全規(guī)范。

圖1. 一個示例LED電源，來自XP Power的15 - 60瓦特DLE系列。

LED配置

一些照明應(yīng)用可能只使用一個LED。這種使用的功率通常約為1W，正向電壓在2-3V的范圍內(nèi)，正向電流約為350mA。雖然這會產(chǎn)生明亮的光源，但更可能的是，LED會被用于單個照明燈具或一組燈具中的某種陣列，以產(chǎn)生更明亮和更均勻的光源。LED通常用于四種配置中的一種配置。將LED串聯(lián)、并聯(lián)或矩陣(串聯(lián)和并聯(lián)組合)配置使其從單個電源驅(qū)動。第四種配置使用多個通道，需要多個電源。

串聯(lián)配置

圖2 - LED串聯(lián)連接

在串聯(lián)配置中，各個LED串聯(lián)布置。這樣做的優(yōu)點是，相同的電流經(jīng)過它們中的每一個，導(dǎo)致發(fā)出的光亮度相同。另一個優(yōu)點是，如果一個LED在短路中出現(xiàn)故障，其他LED不受影響，仍然亮著。缺點是如果一個LED在開路中出現(xiàn)故障，則電流將被中斷，其他所有LED都熄滅。另一個缺點是，如果需要許多LED來產(chǎn)生所需的光量，則正向電壓的總和可能需要使用相當高的輸出電壓的電源。

并聯(lián)配置

圖3 - LED并聯(lián)連接

當并聯(lián)連接時，LED仍然可以串聯(lián)布置在兩個或更多個LED串中。優(yōu)點是對于相同數(shù)量的LED即相同的亮度，電源可以有較低的輸出電壓，因為每個串中的LED的數(shù)量可以減少。另一個優(yōu)點是，如果在一個串中的一個LED變成開路，則其他串不受影響，燈具仍然可以發(fā)光，但亮度降低。缺點是由于每個串中存在稍微不同的正向電壓，每個串中的電流不能由單個電源精確控制，因此每個串可能需要一個電流平衡裝置，這會降低整體效率。[!--empirenews.page--]

矩陣配置

圖4 - 以矩陣配置連接的LED

在矩陣配置中，LED可以以并行配置的方式進行相似地配置，但是串與串之間每個LED都會連接。這種配置的最大優(yōu)點是，如果單個LED變成開路，則仍然存在一條路徑讓電流流過該串中的所有其他LED，因此光輸出幾乎不減少。主要的缺點在于，由于不能使用電流平衡裝置，因此更難控制每個串中的電流。這意味著所使用的LED必須具有緊密匹配的正向電壓，這可能增加成本。

多通道配置

圖5 - LED通過多通道方式連接

使用這種方法，LED以多個串串聯(lián)排列，類似于并列和矩陣配置。優(yōu)點是對于所需的任何給定亮度，總的串電壓可以減小，并且由于每個串由單個電源供應(yīng)，任何一個串的故障不會以任何方式影響其他串。缺點是電源將更昂貴，因為每個串具有單獨的輸出，但是在應(yīng)用中卻更靈活。