淺談大功率長(zhǎng)壽命LED照明系統(tǒng)解決方案

　隨著LED原材料市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，表面貼裝器件從2001年面世，主要用在室內(nèi)全彩屏，并且以其亮度高、色彩鮮艷、溫度低的特性，可隨意調(diào)整的點(diǎn)間距，被不同價(jià)位需求者所接受，在短短兩年多時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)品銷(xiāo)售額已超過(guò)3億元，表面貼裝全彩色LED顯示屏應(yīng)用市場(chǎng)進(jìn)入新世紀(jì)。為了適應(yīng)2008年奧運(yùn)會(huì)的“瘦身”計(jì)劃，利亞德開(kāi)發(fā)了表面貼裝雙基色顯示屏，大量用于訓(xùn)練館和比賽計(jì)時(shí)計(jì)分系統(tǒng)。在奧運(yùn)場(chǎng)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(yùn)期間可作為實(shí)況轉(zhuǎn)播工具，賽事結(jié)束后可用于租賃，作為演出、國(guó)家政策發(fā)布等公共場(chǎng)合應(yīng)用工具，通過(guò)這種方式可盡快收回成本。LED擁有更高的效率與更長(zhǎng)的使用壽命。

　　下文將討論LED驅(qū)動(dòng)器滿足這些要求的工作原理，并對(duì)AC/DC降壓轉(zhuǎn)換器如何高效地驅(qū)動(dòng)30只同串的高亮度LED進(jìn)行說(shuō)明。

　　此外，本文還將給出另外一種實(shí)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(dòng)態(tài)余量控制的LM3464。通過(guò)避免電磁干擾，該方案具有極高效率。

　　簡(jiǎn)介

　　LED（Light-Emitting-Diode中文意思為發(fā)光二極管）是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的半導(dǎo)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(chǎng)發(fā)光。據(jù)分析，LED的特點(diǎn)非常明顯，壽命長(zhǎng)、光效高、無(wú)輻射與低功耗。LED的光譜幾乎全部集中于可見(jiàn)光頻段，其發(fā)光效率可超過(guò)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(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示：普通白熾燈的光效為12lm/W，壽命小于2000小時(shí)，螺旋節(jié)能燈的光效為60lm/W，壽命小于8000小時(shí)，T5熒光燈則為96lm/W，壽命大約為10000小時(shí)，而直徑為5毫米的白光LED光效可以超過(guò)150lm/W，壽命可大于100000小時(shí)。有人還預(yù)測(cè)，未來(lái)的LED壽命上限將無(wú)窮大。

　　LED的亮度是跟LED的發(fā)光角度有必然關(guān)系的，LED的角度越小它的亮度越高，沒(méi)有什么超亮不超亮的，那是騙小孩的，如果是質(zhì)量好的LED不管是哪家LED廠家生產(chǎn)的大家的亮度都差不多的，只是生產(chǎn)工藝不一樣，使用壽命略有不同，因?yàn)榇蠹矣玫亩际悄菐准覈?guó)外的LED芯片。如果是5MM的LED180度角的白光的亮度只有幾百M(fèi)CD,如果是15度角的亮度就要去到一萬(wàn)多兩萬(wàn)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(hù)外最好是用大功率的LED了，亮度就更高了，單個(gè)功率有1W,3W,5W,還有的是用多個(gè)大功率組合成一個(gè)大功率的LED,功率去到幾百都有。

　　圖一給出了結(jié)構(gòu)框圖，該方案無(wú)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(jì)，但效率很難超過(guò)85%。在第一個(gè)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(wú)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(gè)優(yōu)化示例，示意在350mA電流下如何驅(qū)動(dòng)功率達(dá)到35W的30個(gè)高亮度白光LED。該電源為L(zhǎng)ED提供了保護(hù)，限定了瞬態(tài)輸入電壓，并在熱插拔時(shí)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(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)等）全部符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN）。[!--empirenews.page--]

　　下面是一個(gè)使用鎮(zhèn)流器對(duì)35W的T8管進(jìn)行替換的示例，見(jiàn)圖2。在LED串開(kāi)路、短路或過(guò)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(huì)在故障下過(guò)熱或燒毀，以確保設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。

　　圖2，使用鎮(zhèn)流器時(shí)35W的T8燈管進(jìn)行替換。

　　鎮(zhèn)流器與T8的主要特點(diǎn)如下：

　　適用于歐洲輸入電壓范圍，但可以進(jìn)一步擴(kuò)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(lèi)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(dòng)冷卻方式

　　溫度范圍-20 ° C?+65 ° C

　　使用聚合物電容器延長(zhǎng)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(jí)PFC

　　大多數(shù)基本的AC/DC電源在輸入線路中都會(huì)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(duì)于鎮(zhèn)流器產(chǎn)品，則符合歐洲EN - 61000 - 3 - 2C類(lèi)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。

　　由于LED驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)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(lái)替代電解電容，根據(jù)內(nèi)部指標(biāo)對(duì)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(zhǎng)了整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命。

　　第二級(jí)是LED驅(qū)動(dòng)器 ， 選用了LM3445恒流控制器。

　　LM3445是一個(gè)具有自適應(yīng)恒定關(guān)斷時(shí)間的AC/DC降壓恒流控制器，兼容三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)（TRIAC）調(diào)光與脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)。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(dòng)器在一個(gè)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(gè)不同階段，曲線如下：

　　1.閉合階段

　　2.導(dǎo)通階段

　　3.斷開(kāi)階段

　　4.斷開(kāi)階段，能量轉(zhuǎn)移至負(fù)載

　　圖3，LED驅(qū)動(dòng)器在一個(gè)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(dòng)器采用恒定關(guān)斷時(shí)間控制，通過(guò)一串LED調(diào)節(jié)電流。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)電感器的LED電流增加，直到達(dá)到由參考電壓和電流檢測(cè)電阻限定的峰值為止。達(dá)到該峰值電流后，MOSFET關(guān)斷，同時(shí)二極管在Toff期間導(dǎo)通。[!--empirenews.page--]

　　為驅(qū)動(dòng)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(shí)，其總效率可達(dá)92%，通過(guò)并聯(lián)其他LM3445可以驅(qū)動(dòng)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(duì)最高電壓的限制要求。當(dāng)隔離系統(tǒng)中要求限定次級(jí)電壓時(shí)，唯一的選擇是多串LED。

　　在次級(jí)，LM3464是一款多通道LED驅(qū)動(dòng)控制器。作為線性穩(wěn)壓器，每個(gè)LM3464最多可控制四個(gè)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(gè)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(jí)離線電源，通過(guò)LM3464發(fā)出的指令可以對(duì)Vo動(dòng)態(tài)調(diào)整從而使通過(guò)每個(gè)線性穩(wěn)壓器的電壓值保持最低。圖1和圖4的一個(gè)重要區(qū)別在于LM3464無(wú)需新的開(kāi)關(guān)頻率，這對(duì)于控制EMI而言極為重要，因?yàn)殡S著總功率的增加EMI會(huì)越來(lái)越難以控制，而 唯一的開(kāi)關(guān)噪聲來(lái)自于AC/DC部分。

　　結(jié)論

　　本文討論了驅(qū)動(dòng)更多數(shù)量LED的不同方法。第一個(gè)解決方案使用PFC作為標(biāo)準(zhǔn)的升壓裝置以驅(qū)動(dòng)一個(gè)有隔離散熱裝置的LED串（30只） ，這對(duì)于需要多串多數(shù)量LED的設(shè)計(jì)工程師來(lái)講是一個(gè)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(jì)正確，除了高能效以外，LED燈管和鎮(zhèn)流器都有很長(zhǎng)的使用壽命。對(duì)于傳統(tǒng)的照明裝置來(lái)講，維護(hù)費(fèi)用一直是一筆很大的開(kāi)銷(xiāo)，而使用LED燈管能將維護(hù)費(fèi)用降至最低。

　　第二個(gè)解決方案使用一個(gè)一次電源和動(dòng)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(gè)專(zhuān)屬電源，但是在每個(gè)LED串中使用降壓調(diào)節(jié)器會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。對(duì)于他們來(lái)講，這個(gè)解決方案確實(shí)極具吸引力。該LM3464提供了一個(gè)體積更小，價(jià)格更便宜，使用更簡(jiǎn)單的選擇，同時(shí)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(guó)的LED照明還存在一系列其它問(wèn)題，例如中國(guó)目前還沒(méi)有LED燈具國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，只有一些地方的標(biāo)準(zhǔn)；我國(guó)本土LED燈具造型創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力明顯不足等。要解決好這些問(wèn)題，才能使LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展更加健康，LED產(chǎn)品才能更適應(yīng)大眾的需要。市場(chǎng)主導(dǎo)是LED照明產(chǎn)業(yè)可以長(zhǎng)期健康發(fā)展的基礎(chǔ)，政府要在政策、法規(guī)、研發(fā)投入、應(yīng)用示范和標(biāo)準(zhǔn)等多方面來(lái)引導(dǎo)和扶持，全國(guó)一盤(pán)棋，整體規(guī)劃，才能引導(dǎo)LED產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展?！?br />