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LED驱动方式对比及LED驱动电源的选择

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LED驱动方式对比及LED驱动电源的选择

随着大功率LED技术的成熟,大功率LED的驱动设计显得尤为重要。依据大功率LED器件的特性,如果驱动电流过大或者工作温度过高,超出LED元件的承受范围,就极易致使LED器件损坏。因此需要一个恒流、恒温控制的,并有可靠、完善保护功能的LED驱动系统。

LED是特性敏感的半导体器件,又具有负温度特性,因而在应用过程中需要对其进行稳定工作状态和保护,从而产生了驱动的概念。LED器件对驱动电源的要求近乎苛刻,LED不像普通的白炽灯泡,可以直接连接220V的交流市电。LED是3伏左右的低电压驱动,必须要设计复杂的变换电路,不同用途的LED灯,要配备不同的电源适配器。国际市场上国外客户对LED驱动电源的效率转换、有效功率、恒流精度、电源寿命、电磁兼容的要求都非常高,设计一款好的电源必须综合考虑这些因数,因为电源在整个灯具中的作用就好比像人的心脏一样重要。

1、大功率LED驱动控制技术的特点

由于受到LED功率水平的限制,通常需同时驱动多个LED以满足亮度需求,因此,需要专门的驱动电路来点亮LED。目前主流的几种LED驱动方式有如下几种:

依据LED驱动电源和电网用电规则的特性需求,在设计和选择LED驱动电源是需要考虑到以下几个方面:

阻容降压

LED路灯的驱动电源不应该装在高空,这样会给维修工作带来不便,而且维修的花费较大,因此需要选取高性能的驱动电源。

利用电容在交流下的阻抗来限制输入电流,从而获得直流电平给LED供电。这种驱动方式结构简单,成本低廉,但是输入非隔离方案,有安全隐患。而且转换效率很低,无法做到恒流控制。

大功率LED是节能的产品,对驱动电源的要求因此也较高。LED发光的效率会随着LED温度的增高而降低,因此LED内部的散热对LED的正常运行极其的重要。电源的性能高,其损耗功率就较小,在LED内部的发热量就会很小,也就延缓了灯具或者显示器温度的升高。对降低LED的光衰有积极的作用。

隔离反激电路

目前LED驱动的方式主要有两种,一是恒压电源供给多个恒流电源,每个恒流电源会单独给各个电路的LED供电,这种方式极其的灵活,如一个LED出现故障,不会影响其他LED的正常工作但是其成本较高。另一种为直接恒流供电,LED通过串联或者并联的方式运行,其成本略低,但其灵活性较差。多路恒流的供电方式在性能和成本方面具有较大的优势,是发展的重点。

利用反激电路,通过变压器在副边产生直流电平,再通过光耦将此电平的纹波反馈回原边,从而自激稳定。此类电路符合安规认定要求,而且输出恒流精度较好,转换效率较高。但由于需要光耦和副边恒流控制电路,导致系统复杂,体积大,成本高。目前已逐渐为原边方案取代。

LED的抗浪涌能力较差,尤其是抗反向电压的能力。有些LED的显示屏或者路灯装在户外,由于雷击的感应和电网负载的启用,因此电网系统会出现各种浪涌,对LED有坏的影响。因此LED的驱动电源需要具有抑制浪涌侵入的能力,以确保LED不受到损害。

原边方案

灯具在户外安装时,电源的结构应该防潮、防水,外壳也应该耐磨。

原边方案就是通过完全在交流原边控制输出的电源和电流,最精确可以做到5%的恒流精度,副边仅需简单的输出电路即可。原边主要依靠辅助边的反馈来控制输出电压,依靠限流电阻对原边电流的控制,同时乘以匝比来控制输出电流的精度。原边方案继承了隔离反激电路的种种优点,同时架构简单,可以做到小体积和低成本,目前已成为主流驱动。

对于电源除了常规保护之外,最好能增加LED温度的负反馈,以防止LED温度的过高而影响光输出的稳定性。

原边的恒流精度问题:由于变压的生产精度难以控制,导致原边方案在使用低质量变压器时,输出电流漂移较大。所以,原边方案通过改进增加了副边恒流控制电路,这样虽然比普通的原边方案复杂了,但是对比反激方案,仍然可以省去光耦等,系统性价比最高。

2、大功率LED驱动控制系统面临挑战

根据电网的用电规则和LED驱动电源的特性要求,在选择和设计LED驱动电源时要考虑到以下几点:

当精密的恒流电源设计已达到了电源稳定的输出时,电源稳定是光源稳定必要的条件,在电源稳定的前提下,光源输出的电流在长时间的工作中会出现波动的情况。为了获取稳定的电流,提升LED光稳定性,通过控制恒流电源的外围电压,通过电压的大小来调节输出电流。LED驱动系统控制部分的电路设计紧紧围绕单片机,结合键盘及LED数字显示,从A/D进行采样的电压通过反馈和输入的电压相比,对其进行适当的调整,而后经D/A的模拟电压来输入电压。

1、高可靠性

结合大功率LED在国内外的发展状况,LED驱动系统主要面临以下的挑战:

特别像LED路灯的驱动电源,装在高空,维修不方便,维修的花费也大。

驱动电路的寿命有待提升,特别是关键元件如电容的寿命将对电源的寿命有直接的影响。

2、高效率

LED驱动器应该向转换效率更高的目标迈进,因为未输出光的功率均以热量的形式散发,而转换效率的过低就会对LED的节能效果产生坏的影响。

LED是节能产品,驱动电源的效率要高。对于电源安装在灯具内的结构,尤为重要。因为LED的发光效率随着LED温度的升高而下降,所以LED的散热非常重要。电源的效率高,它的耗损功率小,在灯具内发热量就小,也就降低了灯具的温升。对延缓LED的光衰有利。

通过较大的调光比例高效地对LED进行调光,同时还可以确保在低亮度及高亮度时颜色特征的恒定。

3、高功率因素

减小其成本,现今在小功率的应用场所,恒流驱动电源的成本占据的比例已接近35%,基本是光源的成本,这在一定程度上阻碍了LED在市场上的推广。

功率因素是电网对负载的要求。一般70瓦以下的用电器,没有强制性指标。虽然功率不大的单个用电器功率因素低一点对电网的影响不大,但晚上大家点灯,同类负载太集中,会对电网产生较严重的污染。对于30瓦~40瓦的LED驱动电源,据说不久的将来,也许会对功率因素方面有一定的指标要求。

3、大功率LED驱动电路连接的方法

4、驱动方式

大功率LED的光效虽然很高,但是单个LED释放的光通量不大,因此通常是若干LED连接使用。多个LED基本的连接方法有串联、并联及串并混合这三种。

现在通行的有两种:其一是一个恒压源供多个恒流源,每个恒流源单独给每路LED供电。这种方式,组合灵活,一路LED故障,不影响其他LED的工作,但成本会略高一点。另一种是直接恒流供电,LED串联或并联运行。它的优点是成本低一点,但灵活性差,还要解决某个LED故障,不影响其他LED运行的问题。这两种形式,在一段时间内并存。多路恒流输出供电方式,在成本和性能方面会较好。也许是以后的主流方向。

串联

5、浪涌保护

LED串联的优点是流入支路各个LED的电流相同,所以各个LED发光的亮度也相同。如支路上任意一个LED出现故障,会导致支路上所有LED均停止工作。如果某个LED出现短路,在恒流的方式下对电路没有影响,但是在恒压驱动时,会使得其他LED的电压升高,因此其电流也会增大,可能造成LED的损坏。

LED抗浪涌的能力是比较差的,特别是抗反向电压能力。加强这方面的保护也很重要。有些LED灯装在户外,如LED路灯。由于电网负载的启甩和雷击的感应,从电网系统会侵入各种浪涌,有些浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入,保护LED不被损坏的能力。

并联

6、保护功能

并联支路上,每个LED工作电压相同,为了使得各个LED工作电流相同,要求各个LED的电压相同。然而由于LED元件参数的区别,并且LED的电压会随着温度的增高而减小,致使工作电流有区别。如果散热性能不好,电流超过额定值就极易造成LED元件的损坏,因此通常情况下不采用并联的方式。

电源除了常规的保护功能外,最好在恒流输出中增加LED温度负反馈,防止LED温度过高。

串并混连

7、防护方面

并联LED或者串联LED需要电路有较高的电流或者电压,因此能够考虑混合连接的方式,把所需的电流或者电压减小至适合的水平。混合连接的方法有先串联后并联及先并联后串联这两种主要的连接方式,其可靠性较高,并且LED发光的亮度也较为均匀。

灯具外安装型,电源结构要防水、防潮,外壳要耐晒。

4、结束语

8、驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配。

大功率LED驱动电源对有效功率、效率转换、恒流精度、电磁兼容、电源寿命等有着严格的要求,因此在LED驱动系统的设计阶段应该利用数字化控制,以期避免调节器线性度问题,以便稳态精度的提高,并得到稳定的电流,确保大功率LED的正常运作。

9、要符合安规和电磁兼容的要求。

随着LED的应用日益广泛,LED驱动电源的性能将越来越适合LED的要求。

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