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在安森美半导体用于LED照明的AC-DC电源方案中,就能实现LED驱动电路与LED工作寿命的匹配问题
发布时间:2020-02-11 12:52
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LED灯闪烁的常见原因与处理办法发布于:2013-08-02 10:46发布人:亿商网来源:  另外,即使是在使用提供极佳功率因数校正、支持TRIAC调光的LED驱动应用中,也要求电磁干扰(EMI)滤波器。由TRIAC阶跃(step)引起的瞬态电流会激发EMI滤波器中电感和电容的自然谐振。如果这谐振特性导致输入电流降至TRIAC维持电流之下,TRIAC将会关闭。短暂延时后,TRIAC通常又会导通,激发同样的谐振。在输入电源波形的一个半周期内,这系列事件可能会重复多次,从而形成可见的LED闪烁。为了应对这个问题,TRIAC调光的一项关键要求就是EMI滤波器的输入电容极低,且这电容要能够通过TRIAC及绕线阻抗解耦。根据公式,调光模块中电容减小的话,就能够增大谐振电路的电阻,原理上就抑制振荡,恢复想要的电路工作。免费发布信息

设计问题:电解电容寿命与LED不相匹配的问题 LED灯闪烁的常见原因与处理办法 PWM 调光对LED的寿命有何影响 利用TRIAC调光调控LED亮度的潜在问题 在LED照明电源设计中,存在以下几个设计难题:电解电容寿命与LED不相匹配、LED灯闪烁的常见原因与处理办法、PWM 调光对LED的寿命有何影响、利用TRIAC调光调控LED亮度的潜在问题。安森美半导体高级应用工程经理郑宗前在文中针对这些问题的发生原因和解决方法展开论述。4月10日,第三届新型节能技术研讨会邀请了安森美半导体的专家针对LED驱动电源的设计问题展开现场探讨,研讨会与75届中国电子展同期同地在深圳会展中心五层牡丹厅举办。电解电容寿命与LED不相匹配的问题LED照明的一个重要的考虑因素,就是LED驱动电路与LED本身的工作寿命应该能够相提并论。虽然影响驱动电路可靠性的因素有很多,但其中电解电容对总体可靠性有至关重要的影响。为了延长系统工作寿命,需要有针对性地分析应用中的电容,并选择恰当的电解电容。实际上,电解电容的有效工作寿命在很大程度上受环境温度及由作用在内部阻抗上的纹波电流导致的内部温升影响。电解电容制造商提供的电解电容额定寿命是根据暴露在最高额定温度环境及施加最大额定纹波电流条件下得出的。在105°C时典型电容额定寿命可能是5,000小时,电容所实际遭受的工作应力相比额定电平越低,有效工作寿命也就越长。因此,一方面,选择额定工作寿命长及能够承受高额定工作温度的电解电容当然能够延长工作寿命。另一方面,根据实际的应力和工作温度,仍然可以选择较低额定工作温度和额定寿命的电容,从而提供更低成本的解决方案;换个角度说,在设计中考虑保持适当的应力和工作温度,可以有效地延长电解电容的工作寿命,使其更能与LED寿命相匹配。举例来说,安森美半导体符合“能源之星”固态照明标准的离线型LED驱动器GreenPoint®参考设计选择了松下的ECA-1EM102铝电解电容,其额定值为1000 µF、25 V、850 mA、2,000小时及85°C。在假定50°C环境温度条件下,这电容的可用寿命超过12万小时。因此,尽力使LED驱动电路工作在适宜的温度条件并妥善处理散热问题,就能实现LED驱动电路与LED工作寿命的匹配问题。总的来看,如果LED驱动电路中必须使用电解电容,那就必须努力控制电容所受的应用力及工作温度,从而最大程度延长电容工作寿命,以期与LED寿命匹配;另一方面,设计人员也应该尽可能地避免使用电解电容。LED灯闪烁的常见原因与处理办法通常人眼能够感知到频率达70 Hz的光闪烁,高于这个频率则不会感知。故在LED照明应用中,如果脉冲信号出现频率低于70 Hz的低频分量,人眼就会感受到闪烁。当然,在具体应用中,有多种因素可能导致LED灯闪烁。例如,在离线式低功率LED照明应用中,一种常见的电源拓扑结构是隔离型反激拓扑结构。以安森美半导体符合“能源之星”固态照明标准的8 W离线型LED驱动器GreenPoint®参考设计为例,由于反激稳压器的正弦方波功率转换并未给初级偏置提供恒定能量,动态自供电(DSS)电路可能会激活并引发光闪烁。为了避免这个问题,必须使初级偏置能够在每个半周期部分放电,相应地,需要恰当选择构成这偏置电路的电容和电阻的量值。另外,即使是在使用提供极佳功率因数校正、支持TRIAC调光的LED驱动应用中,也要求电磁干扰(EMI)滤波器。由TRIAC阶跃(step)引起的瞬态电流会激发EMI滤波器中电感和电容的自然谐振。如果这谐振特性导致输入电流降至TRIAC维持电流之下,TRIAC将会关闭。短暂延时后,TRIAC通常又会导通,激发同样的谐振。在输入电源波形的一个半周期内,这系列事件可能会重复多次,从而形成可见的LED闪烁。为了应对这个问题,TRIAC调光的一项关键要求就是EMI滤波器的输入电容极低,且这电容要能够通过TRIAC及绕线阻抗解耦。根据 公式,调光模块中电容减小的话,就能够增大谐振电路的电阻,原理上就抑制振荡,恢复想要的电路工作。PWM 调光对LED的寿命有何影响LED本身的寿命很长,PWM调光并不会损及LED的预期寿命;甚至由于PWM调光帮助减小LED发热量,实际上还能帮助延长LED预期寿命。当然,在系统设计中,需要有效地检测及控制LED温度,保证LED可靠工作,体现其长寿命和低维护成本的优势。利用TRIAC调光调控LED亮度的潜在问题当前TRIAC调光是一种颇受市场欢迎的调光方式。TRIAC调光器最初是为白炽灯设计的,但诸如安森美半导体这样的领先供应商也推出了支持TRIAC调光的LED驱动器,非常适合在LED照明中提供TRIAC调光。但这种方式也有其局限所在,如增加电路复杂性、影响功率因数、调光级别相对有限等问题。安森美半导体身为应用于绿色电子产品的首要高性能、高能效硅方案供应商,最新推出了用于住宅及商业LED照明应用的LED驱动器NCL30000。这器件使用临界导电模式(CrM)反激架构,以单段式拓扑结构提供高于0.95的功率因数,故又省却直流-直流(DC-DC)转换段,简化了电路。这器件即使在低电平时也提供极高能效,符合各种规范要求及整体系统光效要求。另外,这器件兼容于前沿TRIAC调光器及尾沿晶体管调光器,视乎所用的调光器,LED光输出可调至低于2%,提供优异的调光性能。安森美半导体近期热推的LED驱动方案 安森美半导体近期推出了几款重要的高能效GreenPoint® LED驱动器参考设计,分别是:1) 3W至5 W LED驱动器参考设计方案。这参考设计采用适合MR16 LED替代的尺寸及特性配置,经过了精心构建及测试,用于 驱动高亮度LED。这参考设计基于降压-升压型拓扑结构,使用安森美半导体的非隔离型恒流配置、工作在约150千赫兹(kHz)频率的NCP3065开关稳压器。这参考设计电路适合轨道照明、汽车照明及景观照明等12 Vac或12 Vdc应用,不论输入线路及输出LED电压如何变化,均提供平坦的电流稳流。这参考设计还提供独特的自动检测电路,支持12 Vdc或12 Vac电源输入,同时维持目标输出电流。2) 隔离型8 W恒流LED驱动器GreenPoint®参考设计方案。这参考设计是为期望符合美国 “能源之星”(ENERGY STAR®)住宅照明应用1.1版固态照明(SSL)要求的设计人员而设,同样经过了精心构建及测试,用于驱动便携台灯、橱柜内照明及户外走廊灯等应用中的1到8颗大功率LED。这参考设计采用新颖的电路配置,无须增加额外的无源功率因数校正(PFC)网络,即可在115 Vac条件下提供高于0.85的功率因数,减少了元器件数量,并轻松满足住宅LED应用功率因数要求。这设计支持90 Vac至265 Vac的通用输入电压工作,采用安森美半导体集成了固定频率电流模式控制器和700 V MOSFET的NCP1014开关稳压器集成电路(IC)。3) 针对离线式高功率因数TRIAC调光LED驱动器的GreenPoint®参考设计。这参考设计采用了NCL30000这关键器件,旨在用于美国“能源之星”商业及住宅照明应用。NCL30000工作温度范围为-40°C至+125°C,确保能用于大多数固态照明(SSL)应用中规定的不同环境工作范围。NCL30000拥有典型值24微安(µA)的低启动电流及典型值2 mA的低工作电流,配合高能效设计。NCL30000的其它关键特性包括可编程导通时间限制器、零电流检测(ZCD)感测模块、门驱动器,以及应用CrM开关电源所需的全部其它PWM电路和保护功能。安森美半导体LED驱动设计优势安森美半导体提供众多不同的LED驱动方案,用于宽广范围的应用:汽车、移动/便携(手机和数码相机的LCD背光及相机闪光)、中大尺寸的LCD屏幕(笔记本、上网本、液晶电视)的LCD背光、标志、建筑物,以及通用照明。安森美半导体提供的产品涵盖3种LED驱动方法:线性方案(极简单且极少外部元件)、直流-直流(DC-DC)电感型开关转换器(用于提供高能效及较大电流),以及电荷泵开关转换器(用于提供高能效及紧凑的尺寸)。安森美半导体还提供不同的LED光输出调制/调光方法:三端双向可控硅开关元件(TRIAC)调光、脉宽调制(PWM)调光、模拟调光、数字调光(DALI、I2C等)。安森美半导体的LED驱动器产品可采用不同类型的电压源供电:从120 Vac到480 Vac(美国某些公路的电压规格)的交流高压、中等交流或直流电压(如汽车中的12 Vac或12 Vdc电压)、0.9至5 V的便携电池。 总的来看,无论是何种LED照明应用,无论需要何种驱动方案,无论需要何种调光方法,无论采用何种常见电源电压供电,安森美半导体均可提供适合的LED驱动器方案,满足客户的不同需求。

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LED照明应用的主要设计挑战包括以下几个方面:散热、高效率、低成本、调光无闪烁、大范围调光、可靠性、安全性和消除色偏。这些挑战需要综合运用适当的电源系统拓扑架构、驱动电路拓扑结构和机械设计才能解决。

LED通用照明设计工程师会遇到许多挑战,如功率密度、功率因数校正(PFC)、空间受限和可靠性等。这些LED照明设计挑战和电源设计挑战类似,具体讲,LED通用照明有以下几个挑战:由于总光效要求及散热限制的影响,即使是低功率应用能效也很重要;在许多情况下,较低功率也要求功率因数校正和谐波处理;在空间受限应用中,特别是替代灯泡应用时,对驱动功率密度的要求很高;总体电源可靠性对提高整个灯的寿命非常重要;宽输入电源电压范围应该支持高达277 Vac;兼容TRIAC调光等传统特定照明要求。另外,LED通用照明还要符合仍在演进的标准及安全规范,如美国能源之星和欧盟的国际电工委员会(IEC)要求。

如今,LED照明已确然成为一项主流技术。该项技术正日臻成熟,标志之一就是大量LED照明标准和规范的陆续出台。严格的效率要求已存在相当一段时间了,今后仍将不断提高。但近段时间,LED照明设计师的工作却更为棘手了,因为要同时满足以下两项要求:既要用针对白炽灯的调光器来实现调光控制功能,又要实现高功率因数性能。调光是照明系统非常常见的功能。对于白炽灯来说,它可以以低成本轻易实现。LED灯的调光却存在一定难度,但对于建筑师和住宅用户来说,在转换到LED照明时可不愿失去调光控制应有的优势。功率因数是非常重要的因素,因为高功率因数可降低配电网络的损耗。降低电力使用对环境所造成影响的最有效方式是减少浪费,因此世界各地的监管机构都在进一步严格他们的功率因数规范。其中一个例子就是能源之星固态照明能效规范(09/12/07),它规定住宅照明产品的功率因数(PF)应大于0.7,商用照明产品的功率因数(PF)应大于0.9。

由于LED灯必须能够装设在原有的旧式插座之内,因此散热是一个必须克服的大问题。但严格来说,这可以利用机械工程技术解决的问题,LED系统生产商的责任是努力开发新技术,尽量提高LED的亮度(即每单位功率产生的流明量)。吴志民自信地说:“我们可以提供功效效率最高的LED驱动器,以确保可将整个灯光系统的散热量减至最少。

安森美半导体一直致力于为LED照明提供丰富的解决方案,推出各种符合最新LED照明标准的产品,包括AC-DC电源IC,DC-DC驱动器,CCR稳流器,恒流恒压(CCCV)控制,高压FET, 整流器,数字接口,环境光传感器,保护,电力线通信(PLC)调制解调器等等。本文主要介绍用于LED照明的AC-DC电源方案及相关电路,帮助工程师应对上述挑战,设计出满足通用照明要求的产品。

图1:LED灯泡构造图

LED的相对高成本是LED照明市场目前仍难以大规模起飞的主要障碍。例如,英飞凌科技有限公司电源管理业务部产品市场总监AlexanderSommer就说:“大多数小于25W的典型LED照明应用是标志灯、标识灯、以及替代标准的白炽灯和卤素灯。但与现有的荧光灯和白炽灯技术相比,LED初始成本仍然是进入大众市场的一个主要障碍。

安森美半导体LED照明方案

LED灯泡和灯具制造商正在对这些要求做出响应,自然希望他们的产品具有尽可能高的通用性。因此,他们非常需要能兼容各种调光器的LED驱动电路,实现高效率工作并使功率因数达到0.9以上。调光控制器照明控制器以线路调光或次级侧调光的方式进行工作。最简单的线路调光方式是前沿可控硅控制器。这是目前最常用的照明控制方式,但不幸的事,使用可控硅控制器对LED灯进行调光时会产生大量问题。更先进的线路调光器是电子前沿或后沿调光器。次级侧电子控制调光器则用于专业照明系统。可控硅控制器在白炽灯中的表现无可挑剔,但在LED灯中会产生各种负面效应,其中包括闪烁、发光不均匀、音频噪声以及闪动。要想弄清原因,首先必须了解可控硅调光器的工作原理。

Cytech产品及设计部工程师徐瑞包也认同主要商业化挑战是成本。他说:“目前各种功率的LED照明系统在电路上都是可以实现的,技术挑战来自于终端应用的要求,比如应用于汽车,要考虑到光学设计以及整体散热设计等。商业化部署的挑战则主要来自于LED成本。

图1:安森美半导体LED照明方案应用示意图

图2:前沿可控硅调光器

LED照明设计的散热考虑

在安森美半导体用于LED照明的AC-DC电源方案中,1至10 W的照明应用中推荐使用NCP1010~5,1至15 W可使用NCP1027/8,这些方案集成了MOS管,适用于隔离和非隔离应用,支持次级PWM调光、模拟调光或双亮度等级调光,能效高达75-80%;1至30 W的应用可以使用LV5026、5027、5028,支持隔离方案,典型能效85%左右;1至40 W推荐使用NCL30000,可进行初级可控硅调光,适用于隔离和非隔离方案,隔离方案能效80-85%。40至150 W推荐使用NCL30001,它是一个连续导电模式(CCM)控制芯片,隔离方案的典型能效85-90%;更大功率推荐使用NCL30051。图2是这些方案输出功率与能效的对比。以下将具体介绍这些方案的功能和特点。

调光控制是通过改变可控硅导通每个半周期的相位角来实现的。灯泡灯丝中的电流与调光信号的相位角密切相关,相位角的变化范围介于0°到180°之间。可控硅的重要参数之一是维持电流(IH)。这是可控硅在不使用栅极驱动的情况下保持导通所必须维持的最小负载。为维持可控硅的稳定工作,该电流不能为零,IH的典型值介于8 mA到40 mA。驱动白炽灯时,维持电流不是问题。然而,由于LED灯效率较高,在无法保持维持电流和灯熄灭时,就会出现问题。如有任何振荡发生,就很容易出现此类情况。 对可控硅控制器来说,白炽灯的阻抗非常低,因此不会出现振荡。相反,LED驱动器具有高阻抗,而且其输入EMI滤波电路由电容和电感组成。在每个半周期,当可控硅导通时就会出现浪涌电流,最糟糕的情况是,在90°导通角下输入电压达到最大值。由于线路/滤波器阻抗的存在,总线电压会发生过冲,从而发生振荡。如果振荡导致电流降到IH以下,可控硅将关断。

25W以下的LED照明系统一般设计用于像阅读台灯、走廊灯、客厅射灯、家用餐灯、小夜灯等应用,客户一般希望这类应用设计得越小巧越好,因此其PCB能安放的设计空间相对来说比较小,因此长时间使用时封装空间内的温度有可能会很高。由于设计师不太可能在其内安装一个散热风扇,因此它的散热设计就变得非常关键和重要。

图2:LED照明的AC-DC电源方案输出功率与效率的对比。

图3:输入EM滤波器引起的电流振荡

“大多数小于25W的低功率LED照明应用要求一定程度的小型化。这常常导致更高的功率密度,尽管功耗不是很大。足够的散热管理措施必须通过改进的机械结构提供。此外,高电气效率有助于降低功耗。AlexanderSommer指出,“如果需要进一步减少热阻,这可以通过电气隔离来做到,因为它可以实现最高效率的热传递。这些方法也允许实现优化的流明输出。

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当可控硅关断时,R1和R2对DIAC重新充电至击穿阈值。DIAC然后导通TRIAC,重新开始下一开关周期。结果是在同一输入线路周期内多次重启动可控硅。

另一种防止LED长时间工作过热问题的思路是采用调光解决方案。飞兆半导体公司高压IC产品行销经理SangCheolHer表示:“相比荧光灯和白炽灯,采用调光解决方案是降低LED功耗的重要途径,这种方案利用调光控制器来实现。尤其是对于小于25W的LED驱动解决方案,由于PCB尺寸小,而封装空间有限,散热问题无可避免,所以该方案更显重要。

针对1至30 W功率AC-DC应用的LV5026/27/28系列LED控制器

图4:可控硅因振荡多次重启动

事实上,在这个功率范围内,LED照明灯将会取代卤素灯和紧凑型荧光灯。此外,先进的技术为了摆脱散热问题,必须去掉对温度变化敏感的无源组件如电解电容。然而,目前大多数LED驱动器解决方案都源于电源拓扑并以此为基础,故应该考虑到温度范围的限制,因为一般产品通常基于商业标准,但照明灯却必须确保能够适应严苛的环境如工业环境。

该系列是安森美半导体成员公司三洋半导体的LED控制器--LV5026M、LV5028TT和LV5027T,其中LV5026M具有TRIAC调光、PWM调光、模拟调光和功率因数校正功能;LV5028TT只有TRIAC调光和功率因数校正功能。LV5026/7/8 TRIAC调光电路如图3所示。

为避免出现与可控硅调光相关的问题,LED驱动器必须满足LED负载非常不同的要求,同时还得与专为白炽灯设计的调光电路实现兼容。用于替换标准白炽灯的LED灯通常包含多个LED,确保提供均匀的光照。这些LED以串联方式连接在一起。每个LED的亮度由其电流大小决定。LED的正向电压降约为3.4 V,但通常介于2.8 V到4.2 V之间(±20%)。尽管负载变化较大,但LED灯串仍须由恒流电源提供驱动,因此必须对电流进行严格控制,以确保相邻LED灯之间具有高匹配度。 LED灯要想实现可调光,其电源必须检测可控硅控制器的可变相位角输出,并利用该信息来改变LED的恒流驱动。电路自身所产生的传导EMI必须达到最低水平,使输入滤波器尽可能地小。此外,驱动电路必须控制功率因数。LED驱动器控制很显然,LED驱动器采用标准反激式拓扑结构是绝对不行的,必须使用专用的LED驱动器。图5和图6可以说明这一点。

LED照明设计的架构选择

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