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LED照明驅動電源的正確選取方法及器件配置

:2018-04-09    :333

 由於LED節能、使用壽命長、耐用及設計靈活,目前LED正在快速取代室內和室外照明設備中的白熾燈和熒光燈。但選擇正確的LED隻是設計方程的一部分。 為了使您的固態照明設計實現全麵的效率、耐久性和使用壽命,您需要選擇合適的電源,把您的應用要求和所使用的LED相匹配。本文將為您提供一些有用的建議,在選擇電源過程中需要考慮的地方。

相關背景介紹

LED的電源電壓一旦等於或大於二極管的正向壓降(通常在2-3V的區域),LED就開始產生光。完全亮度所需的電流因設備而異,但對於1W的LED(通常是照明應用中最小的尺寸)通常為350mA。與白熾燈不同,LED是非線性設備。這意味著一旦電源電壓超過二極管的正向電壓,通過的電流隨著電源電壓而呈指數增長。沒有某種形式的電流調節,LED芯片將成為昂貴的、單穩態閃光燈泡。

為了防止這種情況,電源必須在合適的電流下提供合適的電壓。最簡單的方法是選擇一個輸出電壓大於所選LED正向電壓的電源,並使用限流電阻將電流限製在LED製造商指定的最大值。這種方法的缺點是,LED照明的一個主要優點高效率會受到限流裝置耗散的功率的影響。

這種方法的另一個問題是LED結溫影響了正向電壓。由於電源的輸出電壓是固定的,這反過來意味著如果限流裝置兩端的電壓發生變化,因此電流也會改變。變化的電流將影響發射的光量,降低LED的可靠性。最好的方法是用恒定電流源驅動LED。這樣,可以將電流設置為LED製造商指定的最大值,以實現最大的效率和可靠性,或者實現所需的精確亮度,並且還可以在LED或環境溫度變化時消除結溫的影響。

在照明應用中,使用LED的一個好處是易於改變亮度。這可以通過改變通過LED的電流來實現,但是,以小於其最大電流運行LED會降低效率並且可能導致顏色的輕微變化。因此,更好的方法是將電流在零和最大值之間進行脈衝以改變發射的平均光。隻要這是在足夠高的頻率完成的,以避免脈衝被人眼看作是閃光,這是實現調光的最佳方式。電流的脈衝通常以固定頻率進行,零與全電流的比值發生變化。這是脈寬調製(PWM)方法。

選擇電源

為照明應用選擇電源的類型將基於幾個因素。首先,考慮應用運行的環境。應用是在室內還是室外?電源是否需要防水或需要特殊的IP等級?電源是否能夠使用傳導冷卻或隻使用對流冷卻?

接下來,要定義整體功率要求。單個燈具可能隻需要一個小的電源,但一個複雜的係統可能需要提供數百瓦的電源。另外,還需要其他功能嗎?例如,電源是否需要在簡單的恒壓模式還是恒流模式下工作,應用是否需要調光?

法規和規定很重要

那麽,現在是考慮法規的時候了。整個係統是否需要在一定的諧波電流範圍內運行?它是否需要符合照明的安全標準,還是ITE電源就足夠了?而在這個能源敏感的時代,電源如何有效地滿足當地或區域標準?

同樣重要的是,在一些地方政府機構會向符合特定效率和功率因數校正水平的產品提供折扣或其他補貼,產品有在這些地方出售嗎?同樣,了解您的設計標準是否符合要求,這一點也很重要,包括關閉電源時電源耗電量的任何要求。

安全標準

適用於照明係統的有各種標準。國際上,IEC61347第1部分涵蓋了燈具控製裝置的一般安全要求,和第2部分第13(2)節適用於LED模塊電源。美國有UL8750,歐洲有EN61347,都是以章節命名的IEC格式。

諧波電流

照明應用通常要求諧波電流發射要滿足EN61000-3-2的要求,而照明類別為C類。在此類別中,對於25W以上有源輸入功率的有一組限製,對於25W及以下的則為另一套。但是,該標準僅提及25W及以下的放電照明。

為了滿足25W以上的限製,通常需要功率因數校正,並且由於限製是以安培數的百分比計算而不是絕對值計算,所以最好使用專門用於照明應用的電源,而不是ITE型電源。但是,隻要照明負載高於電源滿負荷額定值的40-50%,ITE電源可能會達到極限。

這邊舉一個例子,XP Power的IP67級DLE係列是專為LED照明應用而設計的電源係列。該係列產品包括15,25,35和60瓦特型號,符合EN61347和UL8750安全規範。

圖1. 一個示例LED電源,來自XP Power的15 - 60瓦特DLE係列。

LED配置

一些照明應用可能隻使用一個LED。這種使用的功率通常約為1W,正向電壓在2-3V的範圍內,正向電流約為350mA。雖然這會產生明亮的光源,但更可能的是,LED會被用於單個照明燈具或一組燈具中的某種陣列,以產生更明亮和更均勻的光源。LED通常用於四種配置中的一種配置。將LED串聯、並聯或矩陣(串聯和並聯組合)配置使其從單個電源驅動。第四種配置使用多個通道,需要多個電源。

串聯配置

圖2 - LED串聯連接

在串聯配置中,各個LED串聯布置。這樣做的優點是,相同的電流經過它們中的每一個,導致發出的光亮度相同。另一個優點是,如果一個LED在短路中出現故障,其他LED不受影響,仍然亮著。缺點是如果一個LED在開路中出現故障,則電流將被中斷,其他所有LED都熄滅。另一個缺點是,如果需要許多LED來產生所需的光量,則正向電壓的總和可能需要使用相當高的輸出電壓的電源。

並聯配置

圖3 - LED並聯連接

當並聯連接時,LED仍然可以串聯布置在兩個或更多個LED串中。優點是對於相同數量的LED即相同的亮度,電源可以有較低的輸出電壓,因為每個串中的LED的數量可以減少。另一個優點是,如果在一個串中的一個LED變成開路,則其他串不受影響,燈具仍然可以發光,但亮度降低。

缺點是由於每個串中存在稍微不同的正向電壓,每個串中的電流不能由單個電源精確控製,因此每個串可能需要一個電流平衡裝置,這會降低整體效率。

矩陣配置

圖4 - 以矩陣配置連接的LED

在矩陣配置中,LED可以以並行配置的方式進行相似地配置,但是串與串之間每個LED都會連接。這種配置的最大優點是,如果單個LED變成開路,則仍然存在一條路徑讓電流流過該串中的所有其他LED,因此光輸出幾乎不減少。主要的缺點在於,由於不能使用電流平衡裝置,因此更難控製每個串中的電流。這意味著所使用的LED必須具有緊密匹配的正向電壓,這可能增加成本。

多通道配置

圖5 - LED通過多通道方式連接

使用這種方法,LED以多個串串聯排列,類似於並列和矩陣配置。優點是對於所需的任何給定亮度,總的串電壓可以減小,並且由於每個串由單個電源供應,任何一個串的故障不會以任何方式影響其他串。缺點是電源將更昂貴,因為每個串具有單獨的輸出,但是在應用中卻更靈活。




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