LED驱动设计:驱动方式、器件选型、纹波抑制

摘要: 如何设计出高效可靠且低成本的LED驱动器是其中的关键。

11-08 00:52 首页 阿拉丁照明网

要普及LED灯具,不但需要大幅度降低成本,更需要解决技术性的问题。如何设计出高效可靠且低成本的LED驱动器是其中的关键。


主流的几种LED驱动方式



1、阻容降压


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。


2、隔离反激电路


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。


3、原边方案


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。


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。


LED驱动电源设计考虑要素



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:


1、高可靠性


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。


2、高效率


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。


3、高功率因素


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。


4、驱动方式


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。


5、浪涌保护


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。


6、保护功能


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。


7、仿护方面


灯具外安装型,电源结构要防水、防潮,外壳要耐晒。


8、驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配


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。


LED驱动器件选型注意事项



以下是电源管理IC领导厂商PowerIntegrations公司的专家DougBailey分享的高效高可靠LED驱动设计的一些心得。


1、不要使用双极型功率器件


DougBailey指出由于双极型功率器件比MOSFET便宜,一般是2美分左右一个,所以一些设计师为了降低LED驱动成本而使用双极型功率器件,这样会严重影响电路的可靠性。


因为随着LED驱动电路板温度的提升,双极型器件的有效工作范围会迅速缩小,这样会导致器件在温度上升时故障从而影响LED灯具的可靠性,正确的做法是要选用MOSFET器件,MOSFET器件的使用寿命要远远长于双极型器件。


2、尽量不要使用电解电容


LED驱动电路中到底要不要使用电解电容?目前有支持者也有反对者,支持者认为如果可以将电路板温度控制好,依次达成延长电解电容寿命的目的。


例如选用105度寿命为8000小时的高温电解电容,根据通行的电解电容寿命估算公式“温度每降低10度,寿命增加一倍”,那么它在95度环境下工作寿命为16000小时,在85度环境下工作寿命为32000小时,在75度环境下工作寿命为64000小时,假如实际工作温度更低,那么寿命会更长!由此看来,只要选用高品质的电解电容对驱动电源的寿命是没有什么影响的!


还有的支持者认为由无电解电容带来的高纹波电流而导致的低频闪烁会对某些人眼造成生理上的不适,幅度大的低频纹波也会导致一些数码像机设备出现差频闪烁的亮暗栅格。所以,高品质光源灯具还是需要电解电容的。不过反对者则认为电解电容会自然老化,另外,LED灯具的温度极难控制,所以电解电容的寿命必然会减少,从而影响LED灯具的寿命。


对此,DougBailey认为,在LED驱动电路输入部分可以考虑不用电解电容,实际上使用PI的LinkSwitch-PH就可以省去电解电容,PI的单级PFC/恒流设计可以让设计师省去大容量电容,在输出电路中,可以用高耐压陶瓷电容来代替电解电容从而提升可靠性,


“有的人在设计两级电路的时候,在输出采用了一个400V的电解电容,这会严重影响电路的可靠性,建议采用单级电路用陶瓷电容就可以了。”他强调。“对于不太关注调光功能、高温环境及需要高可靠性的工业应用来说,我强烈建议不采用电解电容进行设计。”


3、MOSFET的耐压不要低于700V


耐压600V的MOSFET比较便宜,很多认为LED灯具的输入电压一般是220V,所以耐压600V足够了,但是很多时候电路电压会到340V,在有浪涌的时候,600V的MOSFET很容易被击穿,从而影响了LED灯具的寿命,实际上选用600VMOSFET可能节省了一些成本但是付出的却是整个电路板的代价,所以,“不要选用600V耐压的MOSFET,最好选用耐压超过700V的MOSFET.”他强调。


4、尽量使用单级架构电路


Doug表示有些LED电路采用了两级架构,即“PFC(功率因数校正)+隔离DC/DC变换器”的架构,这样的设计会降低电路的效率。例如,如果PFC的效率是95%,而DC/DC部分的效率是88%,则整个电路的效率会降低到83.6%!“


PI的LinkSwitch-PH器件同时将PFC/CC控制器、一个725VMOSFET和MOSFET驱动器集成到单个封装中,将驱动电路的效率提升到87%!”Doug指出,“这样的器件可大大简化电路板布局设计,最多能省去传统隔离反激式设计中所用的25个元件!省去的元件包括高压大容量电解电容和光耦器。”Doug表示LED两级架构适用于必须使用第二个恒流驱动电路才能使PFC驱动LED恒流的旧式驱动器。这些设计已经过时,不再具有成本效益,因此在大多数情况下都最好采用单级设计。


5、尽量使用MOSFET器件


如果设计的LED灯具功率不是很高,Doug建议使用集成了MOSFET的LED驱动器产品,因为这样做的好处是集成MOSFET的导通电阻少,产生的热量要比分立的少,另外,就是集成的MOSFET是控制器和FET在一起,一般都有过热关断功能,在MOSFET过热时会自动关断电路达到保护LED灯具的目的,这对LED灯具非常重要,因为LED灯具一般很小巧且难以进行空气散热。


LED驱动设计中抑制纹波的5种方法



LED驱动设计中,对于纹波,理论上和实际上都是一定存在的,通常抑制或减少它的做法有五种。


输出纹波是指直流电源输出时,叠加在直流稳定量上的交流分量。用示波器来看,会看到电压上下轻微波动,就像水纹一样,所以叫做纹波。通常抑制或减少它的做法有如下几种:


1、加大电感和输出电容滤波


根据LED驱动电源的公式,电感内电流波动大小和电感值成反比,输出纹波和输出电容值成反比。所以加大电感值和输出电容值可以减小纹波。


输出纹波与输出电容的关系:vripple=Imax/(Co×f)。可以看出,加大输出电容值可以减小纹波。



通常的做法,对于输出电容,使用铝电解电容以达到大容量的目的。但是电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好,而且ESR也比较大,所以会在它旁边并联一个陶瓷电容,来弥补铝电解电容的不足。


同时,LED驱动电源工作时,输入端的电压Vin不变,但是电流是随开关变化的。这时输入电源不会很好地提供电流,通常在靠近电流输入端(以BucK型为例,是SWITcH附近),并联电容来提供电流。


2、二级滤波,就是再加一级LC滤波器


LC滤波器对噪纹波的抑制作用比较明显,根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成滤波电路,一般能够很好的减小纹波。但是,这种情况下需要考虑反馈比较电压的采样点。



采样点选在LC滤波器之前(Pa),输出电压会降低。因为任何电感都有一个直流电阻,当有电流输出时,在电感上会有压降产生,导致电源的输出电压降低。而且这个压降是随输出电流变化的。


3、LED驱动电源输出之后,接LDO滤波


这是减少纹波和噪声最有效的办法,输出电压恒定,不需要改变原有的反馈系统,但也是成本最高,功耗最高的办法。任何一款LDO都有一项指标:噪音抑制比。


经过LDO之后,纹波一般在10mV以下。


4、在二极管上并电容C或RC



二极管高速导通截止时,要考虑寄生参数。在二极管反向恢复期间,等效电感和等效电容成为一个RC振荡器,产生高频振荡。为了抑制这种高频振荡,需在二极管两端并联电容C或RC缓冲网络。电阻一般取10Ω-100Ω,电容取4.7pf-2.2nf.


在二极管上并联的电容C或者RC,其取值要经过反复试验才能确定。如果选用不当,反而会造成更严重的振荡。


5、二极管后接电感(EMI滤波)


这也是常用的抑制高频噪声的方法。针对产生噪声的频率,选择合适的电感元件,同样能够有效地抑制噪声。需要注意的是,电感的额定电流要满足实际的要求。




来源 | 21ic电子网


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