LED驅動電源

簡介

　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?！?/p>

特點 

　　根據電網的用電規(guī)則和LED驅動電源的特性要求，在選擇和設計LED驅動電源時要考慮到以下幾點：
　　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．驅動方式現在通行的有兩種：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(lián)或并聯(lián)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，不影響其他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(tǒng)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。

綜上所述 

　　購買驅動電源有兩點最重要
　　一：要認準電容的品牌，其中紅寶石，綠寶石特別知名，綠寶石電容比較常見，當然價格要比其他不適品牌電容要貴幾毛錢。
　　二：是否帶IC控制芯片，因為IC控制芯片具有止短路，過壓，過載，過溫等保護功能。
　　只要這兩點到位的驅動電源，質量已經非常好了。

分類 

　　按驅動方式
　　（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；
　?。?）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。
　　按電路結構
　?。?）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。
　?。?）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(tǒng)的可靠也較低。
　?。?）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。
　?。?）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。
　?。?）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。
　　電源安裝位置分類
　　驅動電源按安裝位置可分為外置電源和內置電源。
　?。?）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。

不足 

　　LED驅動電源目前存在不足的原因：
　　(1)生產LED照明及相關產品的公司的技術人員對開關電源的了解不夠，做出的電源是可以正常工作，但一些關鍵性的評估及電磁兼容的考慮不夠，還是有一定得隱患；
　　(2)大部分LED電源生產企業(yè)都是從普通的開關電源轉型過來做LED電源，對LED的特點及使用認識還不夠；
　　(3)目前關于LED的標準幾乎沒有，大部分都是參考開關電源和電子整流器的標準；
　　(4)現在大部分LED電源沒有統(tǒng)一，所以量大部分都比較小。采購量小，價格就偏高，而且元器件供應商也不太配合；
　　(5)LED電源的穩(wěn)定性：寬電壓輸入，高溫和低溫工作，過溫、過壓保護等問題都沒有一一解決；

面臨挑戰(zhàn) 

　　第一：提高壽命，延長燈具使用時間。驅動電路整體壽命，尤其是關鍵器件如：電容在高溫下的壽命直接影響到電源的壽命；
　　第二：提高效率，提高燈具的光效。LED驅動器應挑戰(zhàn)更高的轉換效率，尤其是在驅動大功率LED時更是如此，因為所有未作為光輸出的功率都作為熱量耗散，電源轉換效率的過低，影響了LED節(jié)能效果的發(fā)揮；
　　第三：降低成本，提高可購買性。目前在功率較?。?-5W）的應用場合，恒流驅動電源成本所占的比重已經接近1/3，已經接近了光源的成本，一定程度上影響了市場推廣。

電源設計

        LED驅動電源設計并不難，但一定要心中有數。只要做到調試前計算，調試時測量，調試后老化，相信誰都可以搞好LED。
　　1、LED電流大小
　　大家都知道LEDripple過大的話，LED壽命會受到影響，影響有多大，也沒見過哪個專家說過。以前問過LED廠這個數據，他們說30%以內都可以接受，不過后來沒有經過驗證。建議還是盡量控制小點。如果散熱解決的不好的話，LED一定要降額使用。也希望有專家能給個具體指標，要不然影響LED的推廣。
　　2、芯片發(fā)熱
　　這主要針對內置電源調制器的高壓驅動芯片。假如芯片消耗的電流為2mA，300V的電壓加在芯片上面，芯片的功耗為0.6W，當然會引起芯片的發(fā)熱。驅動芯片的最大電流來自于驅動功率mos管的消耗，簡單的計算公式為I=cvf(考慮充電的電阻效益，實際I=2cvf，其中c為功率MOS管的cgs電容，v為功率管導通時的gate電壓，所以為了降低芯片的功耗，必須想辦法降低c、v和f。如果c、v和f不能改變，那么請想辦法將芯片的功耗分到芯片外的器件，注意不要引入額外的功耗。再簡單一點，就是考慮更好的散熱吧。
　　3、功率管發(fā)熱
　　關于這個問題，也見到過有人在論壇發(fā)過貼。功率管的功耗分成兩部分，開關損耗和導通損耗。要注意，大多數場合特別是LED市電驅動應用，開關損害要遠大于導通損耗。開關損耗與功率管的cgd和cgs以及芯片的驅動能力和工作頻率有關，所以要解決功率管的發(fā)熱可以從以下幾個方面解決：A、不能片面根據導通電阻大小來選擇MOS功率管，因為內阻越小，cgs和cgd電容越大。如1N60的cgs為250pF左右，2N60的cgs為350pF左右，5N60的cgs為1200pF左右，差別太大了，選擇功率管時，夠用就可以了。B、剩下的就是頻率和芯片驅動能力了，這里只談頻率的影響。頻率與導通損耗也成正比，所以功率管發(fā)熱時，首先要想想是不是頻率選擇的有點高。想辦法降低頻率吧!不過要注意，當頻率降低時，為了得到相同的負載能力，峰值電流必然要變大或者電感也變大，這都有可能導致電感進入飽和區(qū)域。如果電感飽和電流夠大，可以考慮將CCM(連續(xù)電流模式)改變成DCM(非連續(xù)電流模式)，這樣就需要增加一個負載電容了。
　　4、工作頻率降頻
　　這個也是用戶在調試過程中比較常見的現象，降頻主要由兩個方面導致。輸入電壓和負載電壓的比例小、系統(tǒng)干擾大。對于前者，注意不要將負載電壓設置的太高，雖然負載電壓高，效率會高點。對于后者，可以嘗試以下幾個方面：a、將最小電流設置的再小點；b、布線干凈點，特別是sense這個關鍵路徑；c、將電感選擇的小點或者選用閉合磁路的電感；d、加RC低通濾波吧，這個影響有點不好，C的一致性不好，偏差有點大，不過對于照明來說應該夠了。無論如何降頻沒有好處，只有壞處，所以一定要解決。
　　5、電感或者變壓器的選擇
　　低成本1W大功率LED實用驅動電源
　　大功率LED比日光燈具有更高的發(fā)光效率和使用壽命。人們應根據實際使用方式另外加裝散熱器。目前,國產3W發(fā)白光的LED零售價為15元,但由于3W大功率LED質量還不夠可靠，暫不宜使用。5W大功率LED只有進口貨,每只售價高達60元,僅適用于特殊要求的燈光工程之中,最適合人們家里作照明用的就是國產1W發(fā)光二極管。
　　鑒于大功率發(fā)光二極管工作電壓僅為3V,通過全橋整流將220V交流電變成直流電,在全橋上的電壓降約為1.8V,只驅動一只發(fā)光二極管工作的電能利用效率僅為60%。必須把3只以上發(fā)光二極管串聯(lián)起來工作,才能使總的電能利用效率超過80%。
　　根據3基色合成白光原理,將紅、綠、藍3只1W大功率發(fā)光二極管串聯(lián)起來工作,就可以獲得相當于3W發(fā)白光的LED所達到的亮度。同時還可以組合出6種彩色光線,滿足人們對變換彩光的喜好。為了避免電能浪費,使用市電做LED驅動電源應采用電容器做降壓限流元件。
　　用洗衣機電機所配的常規(guī)4.7μ/AC400V電容器做降壓限流元件可提供325mA工作電流,正好與1W大功率LED額定工作電流相同。購買紅、綠、藍3只1W大功率LED共需20元,比購買1只3W發(fā)白光的LED貴5元。但3W大功率LED的工作電流是1W大功率LDE的3倍,需要使用容量為14μ的電容器做降壓限流元件,而購買1只14μ/AC400V電容器比購買1只4.7μ/400V電容器又要高出5元,綜合成本并不合算。1W大功率LED的實用驅動電源見附圖,其中：C3電容的主要作用是在剛接通220V市電時防止可能產出的瞬間大電流通過LED使其受到損壞,VS1可控硅則是防止負載開路時在C3兩端產生高壓使其嚴重發(fā)熱爆炸。VDS1觸發(fā)二極管的轉折電壓為30V～40V,正常狀況下C3兩端電壓不超過10V,VDS1一直截止,VS1也截止。只有在負載電路斷掉或LED內部開路情況下,C3兩端電壓剛升到30V～40V時VS1才即刻導通并維持導通狀態(tài)。排除故障重新接通電源,VS1即自動恢復截止狀態(tài)。
　　如果只要求3只大功率LED一起發(fā)光,電源驅動電路中的VT1～VT9和R3～R9可全部不用。該部分電路專門為控制紅、綠、藍3只LDE的發(fā)光狀態(tài)而設計,A、B、C三端懸空或接到直流負端相對中點上,VT1、VT4、VT7～VT9截止,VT2、VT3、VT5、VT6導通,LED2和LED3分別被VT2和VT3短路,只有LED1工作發(fā)光。
　　單獨將B端接到直流正端,將使VT8導通,VT5和VT2隨之截止,LED2工作發(fā)光。單獨將C端接到直流正端,將使VT9導通,VT6和VT3隨之截止,LED3工作發(fā)光。與此同時,B端或C端接到直流正端,都可使VT4導通、VT1隨之導通,LED1被VT1短路不工作。但將A端接到直流正端,將使VT7導通,強制讓BG4截止,VT1隨之截止,LED1工作發(fā)光。這樣,無論A、B、C三端處于何種狀態(tài),總有至少一只發(fā)光管工作。而通過對加在A、B、C三端上的電平控制,就可以使3只發(fā)光按照需要的組合進行發(fā)光。
　　A、B、C三端上的電平可以采用普通開關進行控制,也可以使用3只D觸發(fā)器和一只按鍵來實現循環(huán)變換。當然還可以把6只LED串聯(lián)起來工作,用專門的彩燈控制IC來實現動態(tài)變化。有興趣者還可以將控制電路再進一步設計成紅外遙控電路,安裝在臥室中更有一番味道。

注意事項 

　　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(tǒng)。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。