解析LED照明電源設(shè)計(jì)的核心難題

在LED照明電源設(shè)計(jì)中，存在以下幾個(gè)設(shè)計(jì)難題：電解電容壽命與LED不相匹配、LED燈閃爍的常見原因與處理辦法、PWM調(diào)光對LED的壽命有何影響、利用TRIAC調(diào)光調(diào)控LED亮度的潛在問題。安森美半導(dǎo)體高級應(yīng)用工程經(jīng)理鄭宗前在文中針對這些問題的發(fā)生原因和解決方法展開論述。 　　電解電容壽命與LED不相匹配的問題 　　LED照明的一個(gè)重要的考慮因素，就是LED驅(qū)動(dòng)電路與LED本身的工作壽命應(yīng)該能夠相提并論。雖然影響驅(qū)動(dòng)電路可靠性的因素有很多，但其中電解電容對總體可靠性有至關(guān)重要的影響。為了延長系統(tǒng)工作壽命，需要有針對性地分析應(yīng)用中的電容，并選擇恰當(dāng)?shù)碾娊怆娙荨? 　　實(shí)際上，電解電容的有效工作壽命在很大程度上受環(huán)境溫度及由作用在內(nèi)部阻抗上的紋波電流導(dǎo)致的內(nèi)部溫升影響。電解電容制造商提供的電解電容額定壽命是根據(jù)暴露在最高額定溫度環(huán)境及施加最大額定紋波電流條件下得出的。在105°C時(shí)典型電容額定壽命可能是5000小時(shí)，電容所實(shí)際遭受的工作應(yīng)力相比額定電平越低，有效工作壽命也就越長。 　　因此，一方面，選擇額定工作壽命長及能夠承受高額定工作溫度的電解電容當(dāng)然能夠延長工作壽命。另一方面，根據(jù)實(shí)際的應(yīng)力和工作溫度，仍然可以選擇較低額定工作溫度和額定壽命的電容，從而提供更低成本的解決方案;換個(gè)角度說，在設(shè)計(jì)中考慮保持適當(dāng)?shù)膽?yīng)力和工作溫度，可以有效地延長電解電容的工作壽命，使其更能與LED壽命相匹配。 　　舉例來說，安森美半導(dǎo)體符合“能源之星”固態(tài)照明標(biāo)準(zhǔn)的離線型LED驅(qū)動(dòng)器Green Point?參考設(shè)計(jì)選擇了松下的ECA-1EM102鋁電解電容，其額定值為1000μF、25V、850mA、2，000小時(shí)及85°C。在假定50°C環(huán)境溫度條件下，這電容的可用壽命超過12萬小時(shí)。因此，盡力使LED驅(qū)動(dòng)電路工作在適宜的溫度條件并妥善處理散熱問題，就能實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)電路與LED工作壽命的匹配問題。 　　總的來看，如果LED驅(qū)動(dòng)電路中必須使用電解電容，那就必須努力控制電容所受的應(yīng)用力及工作溫度，從而最大程度延長電容工作壽命，以期與LED壽命匹配；另一方面，設(shè)計(jì)人員也應(yīng)該盡可能地避免使用電解電容。 　　LED燈閃爍的常見原因與處理辦法 　　通常人眼能夠感知到頻率達(dá)70Hz的光閃爍，高于這個(gè)頻率則不會感知。故在LED照明應(yīng)用中，如果脈沖信號出現(xiàn)頻率低于70Hz的低頻分量，人眼就會感受到閃爍。當(dāng)然，在具體應(yīng)用中，有多種因素可能導(dǎo)致LED燈閃爍。例如，在離線式低功率LED照明應(yīng)用中，一種常見的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是隔離型反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 　　以安森美半導(dǎo)體符合“能源之星”固態(tài)照明標(biāo)準(zhǔn)的8W離線型LED驅(qū)動(dòng)器GreenPoint?參考設(shè)計(jì)為例，由于反激穩(wěn)壓器的正弦方波功率轉(zhuǎn)換并未給初級偏置提供恒定能量，動(dòng)態(tài)自供電(DSS)電路可能會激活并引發(fā)光閃爍。為了避免這個(gè)問題，必須使初級偏置能夠在每個(gè)半周期部分放電，相應(yīng)地，需要恰當(dāng)選擇構(gòu)成這偏置電路的電容和電阻的量值。 　　另外，即使是在使用提供極佳功率因數(shù)校正、支持TRIAC調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，也要求電磁干擾(EMI)濾波器。由TRIAC階躍(step)引起的瞬態(tài)電流會激發(fā)EMI濾波器中電感和電容的自然諧振。如果這諧振特性導(dǎo)致輸入電流降至TRIAC維持電流之下，TRIAC將會關(guān)閉。 　　短暫延時(shí)后，TRIAC通常又會導(dǎo)通，激發(fā)同樣的諧振。在輸入電源波形的一個(gè)半周期內(nèi)，這系列事件可能會重復(fù)多次，從而形成可見的LED閃爍。為了應(yīng)對這個(gè)問題，TRIAC調(diào)光的一項(xiàng)關(guān)鍵要求就是EMI濾波器的輸入電容極低，且這電容要能夠通過TRIAC及繞線阻抗解耦。根據(jù)公式，調(diào)光模塊中電容減小的話，就能夠增大諧振電路的電阻，原理上就抑制振蕩，恢復(fù)想要的電路工作。 　　PWM調(diào)光對LED的壽命有何影響 　　LED本身的壽命很長，PWM調(diào)光并不會損及LED的預(yù)期壽命;甚至由于PWM調(diào)光幫助減小LED發(fā)熱量，實(shí)際上還能幫助延長LED預(yù)期壽命。當(dāng)然，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要有效地檢測及控制LED溫度，保證LED可靠工作，體現(xiàn)其長壽命和低維護(hù)成本的優(yōu)勢。 　　利用TRIAC調(diào)光調(diào)控LED亮度的潛在問題 　　當(dāng)前TRIAC調(diào)光是一種頗受市場歡迎的調(diào)光方式。TRIAC調(diào)光器最初是為白熾燈設(shè)計(jì)的，但諸如安森美半導(dǎo)體這樣的領(lǐng)先供應(yīng)商也推出了支持TRIAC調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)器，非常適合在LED照明中提供TRIAC調(diào)光。但這種方式也有其局限所在，如增加電路復(fù)雜性、影響功率因數(shù)、調(diào)光級別相對有限等問題。 　　安森美半導(dǎo)體最新推出了用于住宅及商業(yè)LED照明應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)器NCL30000。這器件使用臨界導(dǎo)電模式(CrM)反激架構(gòu)，以單段式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供高于0.95的功率因數(shù)，故又省卻直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換段，簡化了電路。這器件即使在低電平時(shí)也提供極高能效，符合各種規(guī)范要求及整體系統(tǒng)光效要求。另外，這器件兼容于前沿TRIAC調(diào)光器及尾沿晶體管調(diào)光器，視乎所用的調(diào)光器，LED光輸出可調(diào)至低于2%，提供優(yōu)異的調(diào)光性能。