電子發(fā)燒友App
白光LED驅(qū)動選擇最好的拓?fù)?/B>
白熾燈時(shí)代即將和我們告別了。整個(gè)20世紀(jì),愛迪生發(fā)明的白熾燈經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn),成為標(biāo)準(zhǔn)的通用照明工具。但新的照明技術(shù)-尤其是發(fā)光二極管(LED)-必將最終代替白熾燈和熒光燈。 當(dāng)整個(gè)世界都在因?yàn)槿找嫔仙哪茉闯杀径?jié)省能源預(yù)算時(shí),白熾燈照明技術(shù)顯然站在了錯(cuò)誤的一邊。一個(gè)白熾燈消耗的能源中有97%被浪費(fèi)。熒光燈雖然稍好一些,但仍然浪費(fèi)了85%的能量。而且,這兩種燈的平均使用壽命都只有大約5000個(gè)小時(shí)。另外,熒光燈還使用了有毒的汞,發(fā)出的光更是顏色粗糙。這兩種技術(shù)都無法和白光LED相比-它不僅使用壽命是前者的10倍,也不使用有毒物質(zhì),而且?guī)缀跄馨l(fā)出任何顏色的光。更重要的是,它的光轉(zhuǎn)換效率絕不亞于熒光燈。
因此,在通用照明應(yīng)用領(lǐng)域,向LED技術(shù)的過渡將大大降低能源消耗。美國能源部最近一項(xiàng)研究預(yù)測指出,到2025年,廣泛推廣的白光LED將為全球節(jié)省10%的電能,節(jié)約資金達(dá)到1000億美元。美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室表示,這樣的能源節(jié)省意味著全球的發(fā)電廠每年排放的二氧化碳要減少3。5億噸。政府領(lǐng)導(dǎo)人都開始注意到了這一點(diǎn)。比如,最近澳大利亞就宣布了一項(xiàng)法令終止使用低效率白熾燈,作為其減少溫室氣體排放并降低家庭能源支出計(jì)劃的一部分。
盡管白光LED是當(dāng)今的大規(guī)模照明的一個(gè)理想方案,但若要把驅(qū)動LED的電子設(shè)備普及到每一個(gè)燈泡中,設(shè)計(jì)者還面臨著不小的挑戰(zhàn)。首先,空間的限制要求LED驅(qū)動器必須小巧且高效。同時(shí)還要考慮散熱因素,它對于照明設(shè)備的可靠性有重要影響,給設(shè)計(jì)密度帶來了限制。最后,設(shè)計(jì)者還必須認(rèn)真考慮其產(chǎn)品的EMI影響。
由于用戶無法獲得驅(qū)動設(shè)備,設(shè)計(jì)者可以在低功率(≤3 W)照明領(lǐng)域采用基于非隔離式商業(yè)成品型(COTS)感應(yīng)器的降壓和降壓/升壓開關(guān)模式電源(SMPS)轉(zhuǎn)換器。這兩種電路都不需要變壓器,并且具有很多其它優(yōu)點(diǎn)。本文就將對這兩種拓?fù)溥M(jìn)行對比,并討論每個(gè)拓?fù)涞恼壑浴?
2個(gè)拓?fù)?/B>
圖1展示了1個(gè)被配置成1個(gè)基本降壓轉(zhuǎn)換器(1a)和1個(gè)基本降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的LinkSwitch-TN。LinkSwitch-TN在1張單片IC上集成了1個(gè)功率MOSFET、振蕩器、簡單開/關(guān)控制方案、1個(gè)高電壓開關(guān)電流源、頻率抖動、逐周限流和熱關(guān)斷電路,從而簡化了轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì),并減少了組件數(shù)量。它是通過DRAIN管腳實(shí)現(xiàn)自供電的,因此不需要偏置電源及相關(guān)電路。作為一個(gè)用于在360mA范圍以下代替線性和電容型非隔離式電源的低成本高效型方案,LinkSwitch-TN具有一流的線性調(diào)節(jié)和復(fù)雜調(diào)節(jié)功能,效率比無源方案要高,而功率因素則高于電容型方案。
圖1a中所示的降壓轉(zhuǎn)換器有很多優(yōu)點(diǎn)。首先,它使對應(yīng)某個(gè)選定的LinkSwitch-TN設(shè)備和感應(yīng)器數(shù)值的輸出功率最大化。它還降低了電源開關(guān)和續(xù)流二極管上的電壓應(yīng)力。另外,該降壓轉(zhuǎn)換器中流過輸出感應(yīng)器的平均電流稍低于降壓/升壓轉(zhuǎn)換器中流過輸出感應(yīng)器的平均電流。
降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的配置比起降壓轉(zhuǎn)換器有一個(gè)主要優(yōu)勢:它的輸出二極管是和負(fù)載串聯(lián)的。在降壓轉(zhuǎn)換器中,如果MOSFET短路,輸入會直接和輸出相連。而如果在降壓/升壓轉(zhuǎn)換器發(fā)生MOSFET短路,反向偏置輸出二極管會堵住輸入和輸出之間的通道。
在這兩個(gè)轉(zhuǎn)換器中,交流輸入都是由D1, D2, C1, C2, RF1和RF2整流并過濾。2個(gè)二極管增強(qiáng)了耐線電涌性能和傳到EMI。設(shè)計(jì)者必須在RF1上采用1個(gè)熔斷防火電阻,但在RF2上則只需采用1個(gè)防火電阻。Linkswitch-TN中的開/關(guān)控制是用來調(diào)整輸出電流的。一旦進(jìn)入回饋管腳的電流超過了49 μA,,MOSFET開關(guān)就會失效,以準(zhǔn)備下一個(gè)開關(guān)周期。
將熱量最小化
熱管理是LED驅(qū)動器設(shè)計(jì)者面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)。盡管LED的效率比白熾燈要高,在3W時(shí)它的電路還是會達(dá)到一個(gè)足以危機(jī)設(shè)備完整性的溫度等級。而且,若要將驅(qū)動設(shè)備集成到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的GU10燈座中,對散熱會造成很大的困難。此時(shí),唯一的散熱方法就是將熱量傳導(dǎo)到燈的底座。在上文所談到的方案中,LinkSwitch-TN可以添加一個(gè)熱關(guān)斷電路,在內(nèi)核溫度超過142℃時(shí)關(guān)閉功率MOSFET,從而保護(hù)LED不受損壞。一旦內(nèi)核溫度降低了75℃時(shí),MOSFET就能自動重啟。
降壓/升壓拓?fù)涞男时冉祲和負(fù)湟晕⒌鸵恍?因?yàn)殡娫床⒉粫诿看蜯OSFET開關(guān)開啟時(shí)都傳輸?shù)捷敵鎏帯Ｒ虼?它產(chǎn)生的熱量也相對較多,但二者相差并不大。
為了確保電路拓?fù)淠軌驖M足熱調(diào)節(jié)要求,Power Integrations公司的設(shè)計(jì)者將一個(gè)電源組裝部件安裝到槽座里,然后測量LNK306DN上(Linkswitch-TN產(chǎn)品系列之一)源管腳的溫度。LNK306DN是用來將負(fù)載電流調(diào)整到330mA,以驅(qū)動3個(gè)串聯(lián)的LED。它的輸入是85 " 265 VAC的通用輸入范圍。
理想狀態(tài)下,管腳電源溫度是不能超過100℃的。但是,正如上面圖表所示,在25℃的室溫環(huán)境下,源管腳溫度會隨著Vin的上升而急劇升高,并在Vin達(dá)到265 VAC時(shí)超過100℃。因此,設(shè)計(jì)者需要進(jìn)行額外的散熱,比如在U1 SO-8C封裝的頂端添加散熱片,才能滿足熱管理要求。
控制EMI
LED驅(qū)動電路必須符合關(guān)于傳導(dǎo)EMI的EN55022B/CISPR22B標(biāo)準(zhǔn)。考慮到開關(guān)IC的高開關(guān)頻率以及GU10燈座的有限尺寸,這些要求又給設(shè)計(jì)者帶來了另一個(gè)很大的難題。降壓/升壓電路拓?fù)渲械腅MI噪音電流回路從MOSFET開始延伸到輸出二極管、輸出電容器并返回輸入電容器,而降壓拓?fù)渲械腅MI噪音電流回路是從MOSFET開始穿過續(xù)流二極管并返回到輸入電容器,前者比后者要長。因此,在降壓/升壓設(shè)計(jì)中降噪就相對更難一些。
圖2:LED濾波器和電路板
為了符合工業(yè)EMI規(guī)格,Power Integration的工程師將驅(qū)動設(shè)備分成了兩個(gè)板:第1個(gè)是位于頂端的轉(zhuǎn)換板,另1個(gè)是位于底部的輸入整流/EMI濾波器板。接著,他們在兩個(gè)板之間放置了1個(gè)法拉第屏蔽板。該屏蔽板和轉(zhuǎn)換器板相連,包含了1張單面鍍銅PCB,該P(yáng)CB另一端位于底部的輸入整流/EMI濾波器板上。采用這一設(shè)計(jì)來驅(qū)動3個(gè)LED時(shí),輸入電壓為230VAC的情況下傳導(dǎo)EMI比工業(yè)EMI標(biāo)準(zhǔn)要求低了大約7 dBμV
圖3:EMI結(jié)果(轉(zhuǎn)換器板)
從成本的角度來考慮,這兩個(gè)拓?fù)溆兄嗨频膬?yōu)點(diǎn)。一個(gè)典型設(shè)計(jì)方案一般只需要大約25個(gè)組件,而且能夠使用低成本的現(xiàn)成的感應(yīng)器,而不需要定制的變壓器。
在電流感應(yīng)反饋回路的設(shè)計(jì)上有一個(gè)很重要的區(qū)別。電流回路會在正常工作時(shí)限制LED電流。設(shè)計(jì)人員可以直接采用FB管腳來感應(yīng)穿過感應(yīng)電阻器的電壓降,從而解決電流感應(yīng)問題。但是,由于FB管腳有一個(gè)1。65V的電壓,這可能會導(dǎo)致一個(gè)不好的結(jié)果,即熱量散到GU10外殼內(nèi)部。因此,采用降壓電路拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)人員還需要添加一些低功率信號組件來用于反饋回路。這些組件一般包括2個(gè)陶瓷電容器、2個(gè)NPN表面安裝晶體管和4個(gè)精確厚膜電阻器。但是,添加這些組件產(chǎn)生的總成本非常低。
總結(jié)
相比于傳統(tǒng)照明技術(shù),LED無疑有著很多優(yōu)勢,包括更低的能耗、更長的使用壽命和更低維修率。但是,開發(fā)用于大規(guī)模LED應(yīng)用的驅(qū)動器設(shè)備的工程師們也面臨著很多挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)人員需要認(rèn)真考慮上文提到的兩種拓?fù)涞膬?yōu)劣,就能摒棄笨重的變壓器,并滿足該技術(shù)在熱管理、EMI和外形大小等方面的要求。
工商網(wǎng)監(jiān)
評論