深度剖析選擇模塊化LED驅(qū)動器的理由

LED驅(qū)動器規(guī)格書的內(nèi)容通常是非常吸引人的，廠家會承諾在低價格的基礎(chǔ)上，提供良好的性能和豐富的功能。然而，在實際應用中，有許多的潛在障礙在規(guī)格書中并未被提到，這樣有可能會給開發(fā)者帶來嚴重的問題。此外，LED驅(qū)動器的研發(fā)，測試和認證都很耗時且花費高昂，尤其是AC/DCLED驅(qū)動器?，F(xiàn)成的并且經(jīng)過測試的模塊，節(jié)省了研發(fā)工作中所產(chǎn)生的高成本費用，這至少可以節(jié)約80%以上的設(shè)計成本。 　　模塊化VS分立式：概述 　　傳統(tǒng)觀念認為分立式LED驅(qū)動器比模塊化解決方案會更具有成本優(yōu)勢。然而，事實并非如此。如果價格對比只是基于BOM(物料清單)的成本，模塊化驅(qū)動器的價格是要高于分立式LED驅(qū)動器。但這不是一個公平的對比方法，因為分立式方案的實際應用成本遠遠高于BOM里統(tǒng)計的成本。另外，還需考慮到，LED驅(qū)動器通常是設(shè)計過程中最后定義的一個組件，也因此時間成為了一個緊迫的因素。 　　決定采用一個驅(qū)動器模塊與否，是要以事實為基礎(chǔ)的，以下問題必須考慮： 　　1)設(shè)計 　　公司必須清楚地知道，自己是否確實有工程人員，知道如何開發(fā)一個完整的分立式方案。而模塊化驅(qū)動器是一個即插即用的產(chǎn)品，可以很容易地集成到照明系統(tǒng)中，從而縮短產(chǎn)品的上市時間。此外，分立式解決方案的研發(fā)成本可能會大大高于預期，因為在將來有可能需要進行重新設(shè)計。這樣就可以很容易地計算出，分立式方案的總體成本有可能會超過經(jīng)過認證的LED驅(qū)動器模塊。 　　2)裝配/倉儲 　　關(guān)于裝配和倉儲，便于操作是非常必要的。采用模塊化的解決方案，制造商只需要從一個供應商處購買一個單一元器件。這樣就將物流成本最小化了，而且因為便于組裝，使生產(chǎn)也更有效率。制造商受益于穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量，也不需要考慮元件之間的公差。而因為缺少某一個物料(如電容，電感，電阻等)引起停產(chǎn)的風險，也幾乎同時被消除了。 　　3)認證 　　對LED驅(qū)動器的認證是非常耗時的一個過程并且認證費用高昂。為了獲得需要的認證，元件在試驗測試失敗后，必須要不斷重復進行申請，而這種情況也是比較常見的。其結(jié)果就導致了，不僅僅增加了額外的重新設(shè)計費用，同時也耗費了大量的時間。而如果選擇模塊化LED驅(qū)動器，認證和易想不到的困難都不會有問題。 　　4)可靠性 　　可靠性，將會影響到品牌的整體形象同時也涉及與其密切相關(guān)的保修問題。盡管公司有可能準確地確定MTBF,但它卻未必可以使用昂貴的系統(tǒng)，來進行可靠性和使用壽命的測試。撇開開發(fā)過程和相關(guān)的時間/成本因素不談，制造商必須決定，他是想依靠內(nèi)部設(shè)計，還是希望由一個有經(jīng)驗的供應商，為其提供已經(jīng)通過認證、讓他覺得更安全的產(chǎn)品。 　　如果公司仍然決定繼續(xù)推進分立式方案，那么往往是基于以下幾點的考慮來進行決策： 　　●具有開發(fā)能力和時間 　　●要求的產(chǎn)品，數(shù)量很大，如改造 　　●產(chǎn)品的超長使用壽命，如>20年 　　除此以外的所有其他情況下，進行完整裝配，采用經(jīng)過測試和認證的LED驅(qū)動器仍然是性價比最好的解決方案。 　　規(guī)格書中并不能找到你想要的所有參數(shù) 　　LED驅(qū)動器的規(guī)格書描述，通常都包含一系列非常吸引客戶的功能特性。簡單地瀏覽，會感覺廠家承諾了一個很好的驅(qū)動器解決方案，可以快速生效又相當容易實施。然而，潛在的隱患藏在細節(jié)中，就如下面的例子所展現(xiàn)的： 　　1)效率&溫度 　　大多數(shù)規(guī)格書都配有一系列的特性圖表(如圖1)以表明其驅(qū)動器的高效率。如要準確地判斷IC的性能極限和溫度之間的特性，必須要更加深入的分析。例如，這個可以通過功耗降額圖(如圖2)來分析。在圖中的這條曲線，如果所包含的特性已經(jīng)被全部體現(xiàn)出來，一般是要在規(guī)格書非常后面的部分才能找到。功耗、最高工作溫度和IC實際功率之間的關(guān)系，可以由以下2個舉例做最好的詮釋： 　　a)Vin(輸入電壓)=12V，3x1WLEDs的輸出： 　　根據(jù)效率特性(圖一中紅色曲線)，這樣的配置達到了90%的效率。也就是說功耗為300mW(計算：3x1Wx10%)。功耗降額曲線(圖2)表明，這樣配置的最高工作溫度是在80℃左右。到目前為止，驅(qū)動器表現(xiàn)都很好。 圖1 效率與輸入電壓和負載關(guān)系曲線 　　b)Vin(輸入電壓)=24V,5 x 1W LEDs的輸出： 　　在這種情況下，驅(qū)動器效率達到了92%(圖1中黃色曲線)，功耗為400mW。但是，根據(jù)圖2所示，在這種狀態(tài)下的最高工作溫度只能是40℃。 　　c)Vin(輸入電壓)=30V,7 x 1W LEDs的輸出： 　　在這種狀況下，效率更高可以達到93%(圖1中藍色曲線)，功耗會增至490mW。然而，根據(jù)降額曲線(圖2)來看，這個集成電路無法補償高于450mW的功率損耗。這意味著將會導致電路過熱。也就是說，上面描述的驅(qū)動器是不可能滿足實際需求的，雖然從表面上看起來，它是符合IC的基本技術(shù)規(guī)格。 圖2 功耗降額曲線(結(jié)合圖1中的曲線) 　　這些例子說明，LED驅(qū)動器的規(guī)格書，通常只會列舉出“最佳案例”情況下的參數(shù)。即使相關(guān)參數(shù)還處在規(guī)格范圍之內(nèi)，但驅(qū)動器卻很快就達到性能極限。公平地說，LED驅(qū)動器制造商們通常也會讓客戶意識到驅(qū)動器潛在的限制，他們會在規(guī)格書頁面底部，用小字聲明“…典型應用電路驅(qū)動XYLED，在下列條件下…..”。僅管如此，技術(shù)問題卻還是同樣存在。 　　2)電磁兼容性 　　一般情況下，LED驅(qū)動器的規(guī)格書中不會包含任何有關(guān)電磁兼容性的信息。這經(jīng)常會給EMC實驗帶來一些意想不到的狀況，當它變得越來越明顯時，電路會發(fā)出強烈的干擾信號。如果一定要達到B類限制，這些電路必須要重新設(shè)計，并且要增加非常復雜的濾波器，同時也要花費大量寶貴的時間在EMC實驗室中。 　　RECOM很好地為設(shè)計者們解決了這個問題，它向客戶提供整合了A類或B類濾波器的模塊化LED驅(qū)動器。 　　3)調(diào)光 　　許多LED驅(qū)動器僅僅只提供PWM信號調(diào)光。這也就意味著，作為PWM信號所必須的輔助電路，只有一個外部電壓供應(例如控制電壓從1V到10V)或電位計是肯定不夠的。這反過來，會導致一個更復雜的電路布局，并增加元器件的數(shù)量。其結(jié)果是導致成本增加，并且系統(tǒng)可能變得不夠穩(wěn)定。 　　在其他情況下，沒有真正可用的PWM輸入，其功能是通過一個CTRL引腳來實現(xiàn)的。這意味著驅(qū)動器必須始終完全接通和斷開，因為它不可能只調(diào)節(jié)輸出信號。這還可能會引起額外的與線性連接有關(guān)的問題。光的亮度從0到10%之間是最關(guān)鍵，因為在這個范圍內(nèi)，人的眼睛特別容易感受到光線的變化，并且和傳統(tǒng)燈泡不同的是，這個范圍內(nèi)的色溫幾乎是相同的。 　　規(guī)格書中的信息往往不能反映最真實的情況。雖然規(guī)格書為驅(qū)動器的選擇提供了一個很好的依據(jù)，但他們有時會忽略了重要的信息，比如性能限制或EMC性能，因此需要謹慎閱讀。 　　可靠性&使用壽命 　　驅(qū)動器的可靠性與它的MTBF(平均故障間隔時間)直接相關(guān)。通過“浴缸曲線”(圖3)能最好地表示MTBF。它包括三個階段：早期故障期，有效壽命期和壽命結(jié)束期。MTBF僅包括中間范圍，而不包括早期故障期和壽命結(jié)束期。LED驅(qū)動器規(guī)格書中所列的MTBF值通常約為60萬小時。 圖3 浴缸曲線 　　MTBF的計算方法：λ驅(qū)動器=Sλ元件。 　　也就是說一個LED驅(qū)動器的MTBF值，只有當它所有元器件的MTBF值是已知的時候，才能計算出來。這些參數(shù)值可以在各種數(shù)據(jù)庫中找到。而最有名的參考手冊可能就是軍用手冊217F版本((MILHDBK217F)，它正被大多數(shù)制造商使用。因此，這說明成品的可靠性其實在設(shè)計階段就可以確定了。 　　然而，60萬小時的MTBF值究竟是什么意思呢?這是否就是說，相應地具有68年的使用壽命呢?這顯然是不對的。MTBF只是表示在一個特定時間內(nèi)的故障概率，如： 　　●每年2%的故障率è MTBF=438,000 hours(8,760h/2%) 　　●5年以上5%的故障率è MTBF=876,000 hours(5x8,760h/5%) 　　此外，還需要考慮到溫度對MTBF的影響。阿列紐斯方程就是一個簡單的，但又能非常準確地反應速率對溫度依賴性的公式。應用到電子設(shè)備中，就可以清楚地顯示在較高溫度下故障率會增加。套用以下經(jīng)驗法則“溫度增加10℃，設(shè)備的預期壽命就會減少一半”。 　　左邊的舉例說明了環(huán)境溫度對系統(tǒng)可靠性的明顯影響。 　　另一個影響LED驅(qū)動器可靠性的因素就是選擇正確的元器件，特別是要選擇合適的電容器。LED驅(qū)動器通常配備的是廉價的電解電容器而不是高品質(zhì)的陶瓷電容器(MLCC)。 　　為什么電解電容器會對電路的可靠性產(chǎn)生如此巨大的影響?這是因為電解電容器中的電解液是一種液體，它會隨著時間而蒸發(fā)，從而導致電容器故障。而當電容器暴露于高溫下時，這種情況會更迅速地產(chǎn)生。因此電解電容器被公認為是決定和限制了LED驅(qū)動器使用壽命的元器件。 　　正如我們所看到的，MTBF不能準確地表明一個產(chǎn)品的使用壽命，但卻是一個很好的可以說明系統(tǒng)或元件可靠性的指標。對于分立式驅(qū)動器，選擇MTBF值相互一致的元器件是至關(guān)重要的。最終，整個系統(tǒng)的可靠性將會由其最薄弱的環(huán)節(jié)決定。 　　區(qū)別于MTBF值，RECOM所指定的“設(shè)計壽命”是基于真實的測試基礎(chǔ)上的，也因此能顯示出驅(qū)動器的使用壽命。不幸的是，規(guī)格書中很少會有如此有價值的信息。 圖4 RECOMRCD-48用的是陶瓷電容(左)和競爭者用電解電容的產(chǎn)品(右)對比 　　認證 　　研發(fā)一個定制的LED驅(qū)動器，另一個重要方面就是認證。這是一個耗時且花費很高的過程，也常常因此而延緩了新產(chǎn)品的推出。 　　以下列表是從國際標準中選出的必須要符合的幾項： 　　●生態(tài)設(shè)計指令2009/125/EC 　　●WEEE指令2002/96/EC 　　CE標志的規(guī)定尤其嚴格。要申請CE認證，制造商要確保該產(chǎn)品符合所有相關(guān)的標準和法規(guī)。雖然只是需要完成一張表格就能申請，但制造商必須明白，如果一個產(chǎn)品印有CE標志，他就有義務承擔所有保修和賠償責任。 　　有關(guān)AC/DCLED驅(qū)動器的一些特別注意事項 　　AD/DC LED驅(qū)動器的設(shè)計不僅比DC/DCLED驅(qū)動要復雜得多，而且對安全方面要求也更為嚴格。這是因為這些設(shè)備都是在SELV(安全特低電壓)范圍之外的。而這個問題，不僅僅只是指成品，同時也針對在電網(wǎng)電壓應用下的設(shè)計和測試過程。因而需要采取特別措施來保護用戶。 　　此外，AC/DC LED驅(qū)動器必須符合特定的能源效率和質(zhì)量法規(guī)和指令，如歐盟生態(tài)設(shè)計指令或能源之星規(guī)定。比如：功率為25W時，所提供的功率因數(shù)校正(PFC)必須大于0.9，這使得他們的設(shè)計會更為復雜。當然，這也就是說，開發(fā)和測試設(shè)備也必須符合更加嚴格的標準，包括功率分析儀，高精度電源和LED負載開關(guān)。對于額外的功能，如雙向可控硅調(diào)光，制造商需要任意波形發(fā)生器，來準確地模擬各種上升沿和下降沿的調(diào)光器的信號。從方塊圖(圖5)可以看到AC/DC LED驅(qū)動器測試中作為標準所需要的各個要素。 圖5 典型AC/DC驅(qū)動器測試方框圖 　　總之，通過內(nèi)部開發(fā)AC/DC LED驅(qū)動器，對于擁有必要專業(yè)知識的制造商來說，只是一個選擇。而通常情況下，更加明智的做法是從一個現(xiàn)有的供應商處，購買已經(jīng)是完整的，經(jīng)過了測試和認證的產(chǎn)品。