LED驅(qū)動具備怎樣的特點
凱恩斯主義著名的“消費不足危機論”大大促進了全球范圍內(nèi)的經(jīng)濟發(fā)展,然而也造成了資源消耗的呈級數(shù)增長,持續(xù)性發(fā)展?jié)u漸難以為繼,綠色環(huán)保理念開始深入人心。LED固態(tài)光源照明、太陽能發(fā)電等技術(shù)和產(chǎn)業(yè)成為各國爭相發(fā)展的“弄潮兒”。1962年,紅光的半導(dǎo)體化合物GaAsP器件在美國GE、Monsanto、IBM的聯(lián)合實驗室研發(fā)成功,標志著LED技術(shù)的誕生。從小小的發(fā)光體開始,LED照明經(jīng)過六十年的發(fā)展,逐漸進化為將要一統(tǒng)“照明”領(lǐng)域天下的“霸主”,然而,“陽光普照”的LED照明世界仍然存在著“一朵”小小的烏云LED驅(qū)動。
要想了解LED驅(qū)動,首先要看看LED燈的組成,典型的LED射燈由LED光源、鋁基板、LED驅(qū)動/電源、透鏡、散熱器/熱沉、燈頭等組成,如圖1所示[1]。LED光源當然是整個燈具的中心,然而LED驅(qū)動也發(fā)揮著非同小可的作用。如果把LED燈看做機體,驅(qū)動可以比為它的“心臟”,提供必需的“血液”和“營養(yǎng)”。
一、前世篇直流開關(guān)電源的分類
LED驅(qū)動或LED電源本身是開關(guān)電源的一種應(yīng)用類型,開關(guān)電源可稱之為LED驅(qū)動的“前世”。開關(guān)電源的一般定義為:利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源,開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源與另一類電源線性電源相比,具有小型、輕量和高效率的特點。現(xiàn)代開關(guān)電源有兩種:一種是直流開關(guān)電源;另一種是交流開關(guān)電源。直流開關(guān)電源將電能質(zhì)量較差的原生態(tài)電源(粗電),如市電電源或蓄電池電源,轉(zhuǎn)換成滿足設(shè)備要求的質(zhì)量較高的直流電壓(精電)。直流開關(guān)電源的核心是DC/DC轉(zhuǎn)換器。
直流DC/DC轉(zhuǎn)換器按輸入與輸出之間是否有電氣隔離可以分為兩類:一類是有隔離的稱為隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器;另一類是沒有隔離的稱為非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器也可以按有源功率器件的個數(shù)來分類。單管的DC/DC轉(zhuǎn)換器有正激式(Forward)和反激式(Flyback)兩種。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換器有雙管正激式(DoubleTransistor Forward Converter)、雙管反激式(Double Transistr Flyback Converter)、推挽式(Push-Pull Converter)和半橋式(Half-Bridge Converter)四種。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器就是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器(Full-Bridge Converter)。
非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器,按有源功率器件的個數(shù),可以分為單管、雙管和四管三類。單管DC/DC轉(zhuǎn)換器共有六種,即降壓式(Buck)DC/DC轉(zhuǎn)換器、升壓式(Boost)DC/DC轉(zhuǎn)換器、升壓降壓式(Buck Boost)DC/DC轉(zhuǎn)換器、Cuk DC/DC轉(zhuǎn)換器、Zeta DC/DC轉(zhuǎn)換器和SEPIC DC/DC轉(zhuǎn)換器。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換器有雙管串接的升壓降壓式(Buck-Boost)DC/DC轉(zhuǎn)換器。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器常用的是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器(Full-Bridge Converter)。隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器在實現(xiàn)輸出與輸入電氣隔離時,通常采用變壓器來實現(xiàn),由于變壓器具有變壓的功能,所以有利于擴大轉(zhuǎn)換器的輸出應(yīng)用范圍,也便于實現(xiàn)不同電壓的多路輸出,或相同電壓的多種輸出[2]。以上種種繁瑣的分類可以用表1給出。
直流開關(guān)電源的典型構(gòu)造圖如圖2所示,市電交流輸入進入EMI濾波器進行初級濾波,使本地電源和電網(wǎng)上千家萬戶的負載進行一定程度的隔離,整流即將交流電轉(zhuǎn)化為高壓直流電,再次濾波后進入變換電路變?yōu)榻涣?u>電流入高頻變壓器的初級線圈,次級線圈就產(chǎn)生了低壓交流電,再次整流和濾波后得到了適合我們需要的低壓直流電,開關(guān)電源同時采用反饋控制,不斷比較輸入和輸出,可以取得更干凈輸出的效果。別看開關(guān)電源的原理貌似非常簡單,但其對器件如開關(guān)管的開關(guān)速度、導(dǎo)通電阻等有著很高的要求。開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向,高頻化使開關(guān)電源更加小型化,并使開關(guān)電源進入愈加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域 [2]。
開關(guān)電源的發(fā)明是工業(yè)界的一件大事,直接催生了個人PC機走入千家萬戶。關(guān)于蘋果公司“喬幫主”的《喬布斯傳》中生動的寫道:“喬布斯專門去了雅達利公司咨詢他曾經(jīng)的上司奧爾康,看有什么辦法能夠令電腦在不采用風扇的情況下供電。奧爾康向喬布斯介紹了羅德·霍爾特,一個聰明的家伙。霍爾特設(shè)計了Apple II的電源部分,他并沒有使用傳統(tǒng)的線性電源,而是制造了一個示波器等儀器上使用的開關(guān)電源。這種電源通斷電的次數(shù)能夠從60次提高到上千次,從而降低了Apple II電源的發(fā)熱量。喬布斯認為,羅德應(yīng)該名垂青史,這種電源設(shè)計是革命性的發(fā)明?!保?]開關(guān)電源的出現(xiàn)不僅使個人PC大大減小了體積,也使成千上萬種電子產(chǎn)品變得相當“迷你”,帶動了個人消費電子產(chǎn)品的大發(fā)展,才有了今天我們方便快捷的生活。開關(guān)電源產(chǎn)品目前已“膨脹”為一個龐大的家族,“子女們”廣泛“服役”于工業(yè)自動化控制、軍工設(shè)備、LED照明、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、液晶顯示器、LED燈具、通訊設(shè)備、電腦機箱、數(shù)碼產(chǎn)品等領(lǐng)域。
二、LED驅(qū)動的特點及未來發(fā)展方向
LED驅(qū)動作為開關(guān)電源家族中的成員,根據(jù)其負載特性和應(yīng)用場景,有著與眾不同的特點。筆者將對其的要求總結(jié)為“八高二低”。
1.體積?。ǖ停篖ED燈頭要適應(yīng)傳統(tǒng)燈具的安裝空間,LED驅(qū)動一般安裝在燈頭里,因此體積要小;
2.可靠性高:驅(qū)動是LED燈的源頭活水,可靠性要求高是一定的;
3.成本低:LED照明普及的一大障礙是成本,在LED芯片成本還未降到人們心理預(yù)期前,LED驅(qū)動的成本要經(jīng)受層層的精打細算和“盤剝”;
4.效率高:高光效的LED燈怎么也得找個“門當戶對”的驅(qū)動;
5.防水性好(高):戶外的LED照明應(yīng)用如路燈要經(jīng)受雨雪的考驗;
6.振動特性好(高):戶外的LED照明應(yīng)用如路燈要經(jīng)受大風惡劣天氣的考驗;
7.壽命長(高):號稱壽命達10萬小時的LED燈不能有壽命短板;
8.溫度特性好(高):高功率密度以及冬夏環(huán)境溫度的影響不能讓驅(qū)動工作異常;
9.濕度特性好(高):要經(jīng)受桑拿天等高濕天氣的考驗;
10.抗干擾性好(高):雷擊、過壓過流等電網(wǎng)波動不能損傷驅(qū)動分毫。
由此看來,高品質(zhì)的LED驅(qū)動具有很高的要求,但在成本、設(shè)計周期、激烈競爭等種種壓力下,很多LED驅(qū)動“墮落”了,簡單的電容降壓取代了規(guī)范的開關(guān)電源出現(xiàn)在人頭攢動的各種LED交易市場上。被認為是導(dǎo)致LED燈壽命無法達到預(yù)期的重要原因。實際上,LED驅(qū)動面臨的“八高二低”的要求可以通過技術(shù)和環(huán)境的途徑共同解決,去電解電容、數(shù)字監(jiān)控等技術(shù)的發(fā)展可以提高驅(qū)動的原生壽命;電網(wǎng)質(zhì)量的改善、人們對驅(qū)動成本構(gòu)成的逐漸寬容等環(huán)境的變化也能大大改善LED驅(qū)動的命運。但更重要的是看待驅(qū)動的理念。
其實,一直與LED驅(qū)動緊密綁定在一起的LED光源身上有著種種潛力,LED光源不止是照明,決定了LED驅(qū)動也不僅僅是個電源。都說“LED高科技”,高科技體現(xiàn)在哪里呢?僅僅是光效嗎?不全是。高科技體現(xiàn)在研發(fā)、生產(chǎn)、工藝等方面。還有它與傳統(tǒng)照明光源最大的不同,那就是它的出身其實是一個半導(dǎo)體芯片,這一點決定了LED光源可以像其他的半導(dǎo)體芯片,如CPU、GPU、FPGA、ARM等一樣,具有“潘多拉魔盒”的魔力,具有“芥子能納須彌”的神奇,魔力和神奇離不開驅(qū)動的提攜(當然是帶有半導(dǎo)體智能控制芯片的驅(qū)動),這也就是智能照明(smart lighting)概念的源頭所在。有了智能照明,我們可以實時監(jiān)控照明的能耗、照明的狀態(tài),更加突出節(jié)能的概念。不僅僅如此,照明能夠根據(jù)環(huán)境光的強弱和場景自動調(diào)節(jié)。設(shè)想一下,靜靜的夜晚,路燈們自動調(diào)節(jié)為低功率輸出,有汽車和人出現(xiàn)時調(diào)高輸出功率,離開時再調(diào)回原狀;夏天時,屋內(nèi)自動調(diào)為冷色調(diào)……家庭中智能照明的一種應(yīng)用場景如圖3所示[4],通過智能手機,我們可以控制客廳、臥室、書房等空間LED照明的亮度、色溫、分布,監(jiān)控照明的耗電狀態(tài)并帶有用戶隨意定制的功能。
所有這些不是天方夜譚。LED驅(qū)動在作為LED燈“心臟”的同時,再次勇于承擔“大腦”的責任,為燈具賦予了種種神奇的功能,未來,在智能LED驅(qū)動的協(xié)助下,LED燈可以實現(xiàn)人類夢想中的功能,成為“感知中國”物聯(lián)網(wǎng)中的重要一環(huán)。