LED驅動電源的分類及工作原理-LED注意事項及電源失效原理分析-KIA MOS管
信息來源:本站 日期:2018-11-05
LED驅動電源是把電源供應轉換為特定的電壓電流以驅動LED發(fā)光的電源轉換器,通常情況下:LED驅動電源的輸入包括高壓工頻交流(即市電)、低壓直流、高壓直流、低壓高頻交流(如電子變壓器的輸出)等。而LED驅動電源的輸出則大多數為可隨LED正向壓降值變化而改變電壓的恒定電流源。
1.高可靠性 特別像LED路燈的驅動電源,裝在高空,有防水鋁殼驅動電源,質量好的話不容易壞,減少維修次數。
2.高效率 LED是節(jié)能產品,驅動電源的效率要高。對于電源安裝在燈具內的結構,尤為重要。因為LED的發(fā)光效率隨著LED溫度的升高而下降,所以LED的散熱非常重要。電源的效率高,它的耗損功率小,在燈具內發(fā)熱量就小,也就降低了燈具的溫升。對延緩LED的光衰有利。
3.高功率因數 功率因數是電網對負載的要求。一般70瓦以下的用電器,沒有強制性指標。雖然功率不大的單個用電器功率因素低一點對電網的影響不大,但晚上大家點燈,同類負載太集中,會對電網產生較嚴重的污染。對于30瓦~40瓦的LED驅動電源,據說不久的將來,也許會對功率因數方面有一定的指標要求。
4.驅動方式 通行的有兩種:其一是一個恒壓源供多個恒流源,每個恒流源單獨給每路LED供電。這種方式,組合靈活,一路LED故障,不影響其他LED的工作,但成本會略高一點。另一種是直接恒流供電,LED串聯或并聯運行。它的優(yōu)點是成本低一點,但靈活性差,還要解決某個LED故障,會影響其他LED運行的問題。這兩種形式,在一段時間內并存。多路恒流輸出供電方式,在成本和性能方面會較好。也許是以后的主流方向。
5.浪涌保護 LED抗浪涌的能力是比較差的,特別是抗反向電壓能力。加強這方面的保護也很重要。有些LED燈裝在戶外,如LED路燈。由于電網負載的啟甩和雷擊的感應,從電網系統會侵入各種浪涌,有些浪涌會導致LED的損壞。因此LED驅動電源要有抑制浪涌的侵入,保護LED不被損壞的能力。
6.保護功能 電源除了常規(guī)的保護功能外,最好在恒流輸出中增加LED溫度負反饋,防止LED溫度過高。
7.防護方面 燈具外安裝型,電源結構要防水、防潮,外殼要耐曬。
8.驅動電源的壽命要與LED的壽命相適配。
9.要符合安規(guī)和電磁兼容的要求。
隨著LED的應用日益廣泛,LED驅動電源的性能將越來越適合LED的要求。
(1)恒流式
a、恒流驅動電路輸出的電流是恒定的,而輸出的直流電壓卻隨著負載阻值的大小不同在一定范圍內變化,負載阻值小,輸出電壓就低,負載阻值越大,輸出電壓也就越高;
b、恒流電路不怕負載短路,但嚴禁負載完全開路。
c、恒流驅動電路驅動LED是較為理想的,但相對而言價格較高。
d、應注意所使用最大承受電流及電壓值,它限制了LED的使用數量;
(2)穩(wěn)壓式
a、當穩(wěn)壓電路中的各項參數確定以后,輸出的電壓是固定的,而輸出的電流卻隨著負載的增減而變化;
b、穩(wěn)壓電路不怕負載開路,但嚴禁負載完全短路。
c、以穩(wěn)壓驅動電路驅動LED,每串需要加上合適的電阻方可使每串LED顯示亮度平均;
d、亮度會受整流而來的電壓變化影響。
(3)脈沖驅動
許多LED應用都需要具備調光功能,比如LED背光或建筑照明調光。通過調整LED的亮度和對比度可以實現調光功能。簡單地降低器件的電流也許能夠對LED發(fā)光進行調整,但是讓LED在低于額定電流的情況下工作會造成許多不良后果,比如色差問題。取代簡單電流調整的方法是在LED驅動器中集成脈寬調制(PWM)控制器。PWM的信號并不直接用于控制LED,而是控制一個開關,例如一個MOSFET,以向LED提供所需的電流。PWM控制器通常在一個固定頻率上工作并且對脈寬進行調整,以匹配所需的占空比。當前大多數LED芯片都使用PWM來控制LED發(fā)光,為了確保人們不會感到明顯的閃爍,PWM脈沖的頻率必須大于100HZ。PWM控制的主要優(yōu)點是通過PWM的調光電流更加精確,最大程度地降低LED發(fā)光時的色差。
(4)交流驅動
交流驅動器根據不同的應用也可分為降壓型、升壓型、變換器3種類型。交流驅動器和直流驅動器的區(qū)別除了需要對輸入的交流屯進行整流濾波之外,從安全角度考慮還存在-個隔離和不隔離的問題。
交流輸入驅動器主要用于改型燈:對十PAR(Parabolic Aluminum Reflector,碗碟狀反射,是專業(yè)舞臺上的一種常見燈具)燈、標準燈泡等而言,它們在100V、120V或230V的交流輸入下運行;而對于MR16燈而言,則需要在12V的交流輸入下工作。由于存在某些復雜的問題,如標準三端雙向可控硅開關或前沿后沿調光器的調光能力問題,以及與電子變壓器(從交流線電壓生成MR16燈工作時的12V交流電)的兼容性問題(即無閃爍操作),因此,與直流輸入驅動器相比,交流輸入驅動器所涉及的領域更為復雜。
交流供電(市電驅動)應用于LED驅動,一般要經過降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓(或穩(wěn)流)等環(huán)節(jié),使交流電源轉換為直流電源,然后通過適合的驅動電路為LED提供合適的工作電流,還要有高的轉換效率、較小的體積和較低的成本,同時解決安全隔離問題。考慮到對電網的影響,還要解決好電磁干擾和功率因數問題。對于中小功率的LED,其最佳電路結構是隔離式單端反激變換電路;對于大功率的應用,應該使用橋式變換電路。
(1)電阻、電容降壓方式:通過電容降壓,在閃動使用時,由于充放電的作用,通過LED的瞬間電流極大,容易損壞芯片。易受電網電壓波動的影響,電源效率低、可靠性低。
(2)電阻降壓方式:通過電阻降壓,受電網電壓變化的干擾較大,不容易做成穩(wěn)壓電源,降壓電阻要消耗很大部分的能量,所以這種供電方式電源效率很低,而且系統的可靠也較低。
(3)常規(guī)變壓器降壓方式:電源體積小、重量偏重、電源效率也很低、一般只有45%~60%,所以一般很少用,可靠性不高。
(4)電子變壓器降壓方式:電源效率較低,電壓范圍也不寬,一般180~240V,波紋干擾大。
(5)RCC降壓方式開關電源:穩(wěn)壓范圍比較寬、電源效率比較高,一般可以做到70%~80%,應用也較廣。由于這種控制方式的振蕩頻率是不連續(xù),開關頻率不容易控制,負載電壓波紋系數也比較大,異常負載適應性差。
(6)PWM控制方式開關電源:主要由四部分組成,輸入整流濾波部分、輸出整流濾波部分、PWM穩(wěn)壓控制部分、開關能量轉換部分。PWM開關穩(wěn)壓的基本工作原理就是在輸入電壓、內部參數及外接負載變化的情況下,控制電路通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環(huán)反饋,調節(jié)主電路開關器件導通的脈沖寬度,使得開關電源的輸出電壓或電流穩(wěn)定(即相應穩(wěn)壓電源或恒流電源)。電源效率極高,一般可以做到80%~90%,輸出電壓、電流穩(wěn)定。一般這種電路都有完善的保護措施,屬高可靠性電源。
驅動電源按安裝位置可分為外置電源和內置電源。
(1)外置電源
顧名思義,外置電源就是把電源安裝在外面的。一般電壓比較高,對人有安全危險的,就需要外置電源。與內置電源的區(qū)別就是電源加了一個外殼,常見的有路燈。
(2)內置電源
就是把電源安裝在燈具內,一般都是電壓比較低,12v到24v,對人沒什么安全隱患。這個常見的有球泡燈。
根據電網的用電的特點,led特性的要求以及相關LED產品,在選擇LED驅動電源時要考慮到以下幾點:
總體原則
a、根據LED電流和電壓特點,比較理想的是使用恒流驅動。它能避免LED正向電壓的改變而引起電流變動,同時恒定的電流使LED的亮度穩(wěn)定。
b、另外,LED光通量與溫度成反比,所以使用中應盡量減少電源發(fā)熱和設計良好的散熱系統。從而降低LED工作的環(huán)境溫度。
c、為了保證LED產品的整體壽命,必須將LED的結溫控制在一定的范圍內,也就是要控制好LED產品的工作環(huán)境溫度。
1、高可靠性
LED產品主要是有LED芯片和電源,散熱外殼,控制電路等組成。其中LED電源的好壞直接影響了產品的好壞。特別是LED路燈產品,由于裝在高空,維修不方便,維修的花費也大。
2、高效率
LED是節(jié)能產品,驅動電源也要符合節(jié)能的要求。特別是電源安裝在燈具內的結構,尤為重要。因為LED的發(fā)光效率隨著LED溫度的升高而下降。電源的效率高,它的耗損功率小,在燈具內發(fā)熱量就小,也就降低了燈具的溫升。對延緩LED的光衰有利。
3、恒流驅動方式
為了配合LED的伏安特性,所以LED電源必須使用恒流驅動的方式。
4、浪涌保護
LED抗沖擊能力比較差,所以要加強這方面的保護。特別是一些裝在戶外的產品,電網負載的啟停和雷擊都會對電源有沖擊。因此LED驅動電源的輸入端要有抑制浪涌的保護電路,避免開關瞬間損壞LED。
5、溫度保護功能
電源除了常規(guī)的保護功能外,最好在恒流輸出中增加LED芯片溫度負反饋,防止LED芯片PN結溫度過高。
6、LED電源壽命
要提高LED驅動電源壽命,就需要從多方面來改善:使用較高壽命的電容,提高電源效率,做好電源的散熱功能,優(yōu)化燈具的散熱設計。LED電源屬于開關電源,開關電源的質量與可靠性取決于其電路設計,生產工藝,及器件的質量。電解電容是大功率開關電源中必不可少的組成部分。 而開關電源的正常工作壽命要取決于電源所使用的電解電容的壽命,電解電容的壽命又取決于電容本身的壽命及工作溫度,電解電容在不同的溫度下其工作壽命差異很大。
7、工作環(huán)境
由于各個地方環(huán)境的不同,要著重考慮LED燈具工作場所的環(huán)境,如:溫度、濕度、安裝位置等。
考慮到電源的工作方式,如果不加軟啟動電路,通電瞬間,輸出會有一個電壓尖峰。為更好的保護LED,所以需要加軟啟動電路。這一點正是驅動電源穩(wěn)定性的一個關鍵因素
相對LED驅動電源光源來說,LED驅動電源的結構更復雜,需要權衡的地方會更多,使得LED驅動電源往往比LED光源先失效。據統計,整燈失效中超過80%的原因是電源出現了故障。導致LED驅動電源失效的原因很多,可歸納為以下幾大類。
1、電子元器件老化
包括電阻、電容、二極管、三極管、LED、連接器、IC等器件開路、短路、燒毀、漏電、功能失效、電參數不合格、非穩(wěn)定失效等各種失效問題。
2、PCB質量問題
包括PCB、PCBA潤濕不良、爆板、分層、CAF、開路、短路等等各種失效問題。
3、LED電源散熱不良
驅動電路由電子元件組成,少數元件對溫度非常敏感。如電解電容,通行的電解電容壽命估算公式為“溫度每降低10度,壽命增加一倍”,散熱不良很可能導致其壽命大大縮短,提前失效,致使LED電壓出現故障,燈具失效。尤其是對于內置式電源(放在整燈內的電源),發(fā)熱量大的電源會增加整燈的導熱、散熱壓力,LED的溫度將升高,其光效和壽命將大大降低。所以在設計LED電源時,就應該重視其自身的散熱問題。因此在開始設計燈具初期進行評估,電源的設計同步進行,就能解決以上問題。在設計中要綜合考慮LED的散熱和電源的散熱,整體控制燈具的升溫,這樣才能設計出較好的燈具。
4、電源設計中的問題
(1)功率設計。雖然LED光效高,但是還有80%~85%的熱能損耗,致使燈具內部有20~30K的溫升,如果室溫在25℃,燈具內部則有45~55℃,電源長時間在高溫環(huán)境下工作,要保證壽命就必須加大功率裕量,一般留存1.5~2倍的裕量。
(2)元件選型。燈具內部溫度在45~55℃時,電源內部溫升還有20℃左右,則元件附件的溫度要達到65~75℃。有些元件在高溫時參數會漂移,甚至壽命會縮短,所以器件要選擇能在較高溫度下長時間使用的,還要特別注意電解電容和導線。
(3)電性能設計。開關電源針對LED的參數設計,主要是恒流參數,電流的大小決定LED的亮度,如果批量電流誤差較大,則整批燈的亮度不均勻。而且溫度的變化也能致使電源輸出電流偏移。一般批量誤差控制在±5%以內,才能保證燈的亮度一致,LED的正向壓降有偏差,電源設計的恒流電壓范圍要包含LED的電壓范圍。多個LED串聯使用時,最小壓降乘以串聯數量為下限電壓,最大壓降乘以串聯數量為上限電壓,電源的恒流電壓范圍要比這個范圍稍寬些,一般上下限各留1~2V裕量。
(4)PCB布板設計。LED燈具留給電源的尺寸較小(除非電源是外置的),所以在PCB設計上要求較高,要考慮的因素也較多。安全距離要留夠,要求輸入和輸出隔離的電源,一次側電路和二次側電路要求耐壓1500~2500VAC,在PCB上至少要留夠3mm的距離。如果是金屬外殼的燈具,則整個電源的布板還要考慮高壓部分和外殼的安全距離。如果沒有空間保證安全距離就要利用其他措施保證絕緣,比如在PCB上打孔、加絕緣紙、灌封絕緣膠等。另外布板還要考慮熱量均衡,發(fā)熱元件要均勻分布,不能集中放置,避免局部溫度升高。電解電容遠離熱源,減緩老化,延長使用壽命。
5、雷擊損壞
雷擊是一種常見的自然現象,特別是在雨季尤為常見。其所帶來的危害和損失全球每年以千億美元來計。雷擊分為直接雷擊和間接雷擊,間接雷主要包括傳導雷和感應雷。由于直接雷所帶來的能量沖擊非常大,破壞力極強,一般電源是無法承受的,故這里主要討論的是間接雷型。
雷擊所形成的浪涌沖擊是一種瞬態(tài)波,屬于瞬變干擾,可以是浪涌電壓,也可以是浪涌電流。沿著電源線或其他路徑(傳導雷)或通過電磁場(感應雷)而傳送至電源線路。其波形特征是先快速上升然后慢慢下降。這種現象會對電源產生致命的影響,其產生的瞬間的浪涌沖擊遠遠超出一般電子器件的電性應力,導致的直接結果是電子元件損壞。
6、電網電壓超出電源負荷
當同一個變壓器電網支路配線太長,支路中有大型動力設備時,在大型設備啟停時,電網電壓會劇烈波動,甚至導致電網不穩(wěn)。當電網瞬時電壓超過310 VAC時有可能損壞驅動器(即使有防雷裝置也無效,因為防雷裝置是應對幾十微秒級別的脈沖尖峰,而電網波動可能達到幾十毫秒,甚至幾百毫秒)。因此,路燈照明支路電網上有大型電力機械時要特別注意,最好監(jiān)測下電網波動幅度,或者由單獨電網變壓器供電。
7、焊點失效
電源封裝主要涉及PCB板與元器件之間的連接工序,其中焊點扮演者重要的角色。焊點的主要作用是實現電子元器件與基板(LED電源中針對的是PCB板)的機械連接和電氣連接,焊點質量嚴重影響著器件的可靠性。焊點失效一方面來自于生產裝配中的焊接故障,如焊料橋連、虛焊、空洞、曼哈頓現象。另一方面是在服役過程中,當環(huán)境溫度變化時,由于元器件與PCB板存在熱膨脹系數差,在焊點內產生熱應力,應力的周期性變化會造成焊點的疲勞損傷,最終導致疲勞失效。
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