led照明作為一種革命性的節能照明技術(shù)，正在飛速發(fā)展。然而，LED驅動(dòng)電源的要求也在不斷提高：高效率、高功率因數、安全隔離、符合EMI標準、高電流控制精度、高可靠性、體積小、成本低等正成為L(cháng)ED驅動(dòng)電源的關(guān)鍵評價(jià)指標。本文將為大家介紹隔離式LED驅動(dòng)電源的最新方案。
LED驅動(dòng)電源的在安全性設計上的具體要求
LED是低壓發(fā)光器件，具有長(cháng)壽命、高光效、安全環(huán)保、方便使用等優(yōu)點(diǎn)。對于市電交流輸入電源驅動(dòng)，隔離輸出是基于安全規范的要求。LED驅動(dòng)電源的效率越高，則越能發(fā)揮LED高光效，節能的優(yōu)勢。同時(shí)高開(kāi)關(guān)工作頻率，高效率使得整個(gè)LED驅動(dòng)電源容易安裝在設計緊湊的LED燈具中。高恒流精度保證了大批量使用LED照明時(shí)的亮度和光色一致性。
目前在一般的led照明市場(chǎng)上，存在非隔離設計和隔離型驅動(dòng)電源之分。帶隔離變壓器或者電氣隔離的LED驅動(dòng)電源意味著(zhù)LED可以直接用手接觸而不會(huì )觸電。而無(wú)隔離變壓器的LED驅動(dòng)電源雖仍可以借助防護外殼實(shí)現部分機械絕緣，但此時(shí)的LED在工作時(shí)并不能直接接觸。
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非隔離設計僅限于雙絕緣產(chǎn)品，例如燈泡的替代產(chǎn)品，其中LED和整個(gè)產(chǎn)品都集成并密封在非導電塑料中，因此，最終用戶(hù)并沒(méi)有任何觸電的危險。二級產(chǎn)品都是 隔離型的，價(jià)格相對比較昂貴，但在用戶(hù)可以接觸到LED和輸出接線(xiàn)的地方(通常在LED照明和路燈照明應用的情況下)，這種產(chǎn)品必不可少。
物理設計決定著(zhù)驅動(dòng)器是隔離式還是非隔離式。安全規則通常要求使用兩個(gè)獨立的隔離層。設計師可以選擇兩種物理隔離層，即塑料散光罩和玻璃護罩，并使用非隔 離式電源。如果物理隔離成本太高、存在機械困難或者吸收太多光，就必須在電源中解決電氣隔離問(wèn)題。隔離式電源通常要比同等功率水平的非隔離式電源大一些。 照明燈設計師必須在他們所設計的每款產(chǎn)品中進(jìn)行大量的成本及設計優(yōu)化工作。
由于適用于不同的應用，是采用隔離的絕緣變壓器還是采用隔離的防護燈罩外殼，設計者在不同的角度考慮永遠會(huì )有不同的見(jiàn)解。通常，他們會(huì )從多方面去分析，例如成本與制造工藝、效率和體積、絕緣可靠性和安全規范的要求等等。
帶變壓器的驅動(dòng)成本較高，但也相應讓LED燈具變得更加實(shí)用，能夠滿(mǎn)足終端用戶(hù)偶然接觸LED的需要。當白熾燈玻璃外殼很容易被損壞時(shí)，一個(gè)E27型號的普通燈泡可被替換成為L(cháng)ED燈。此外，在工業(yè)區或者是辦公設備應用中的燈具并不需要接觸到終端用戶(hù)，如路燈和商場(chǎng)照明，這時(shí)的LED燈也確實(shí)需要隔離變壓器。
作為一個(gè)讓最終用戶(hù)能安全使用的產(chǎn)品，一定會(huì )考慮絕緣與隔離的可靠性。作為完整的產(chǎn)品，產(chǎn)品表面使用者能接觸到的部分一定要經(jīng)過(guò)隔離，不能讓人觸電。而從 產(chǎn)品整個(gè)系統而言，隔離是不可避免的，區別只是設置隔離的位置不同。有些設計者采用隔離的變壓器設計，因此他們可以簡(jiǎn)化散熱和燈罩的設計。如果用非隔離的驅動(dòng)設計，在燈殼等結構上就必須考慮可靠的絕緣要求。因此作為電源驅動(dòng)，隔離與非隔離的方案一直都同時(shí)存在。
基于變壓器的隔離型LED驅動(dòng)電源將是主流
目前有好幾個(gè)趨勢正在推動(dòng)LED照明市場(chǎng)的發(fā)展。首先是高亮度LED效率的不斷改善和非常高效率的高可靠性恒流LED驅動(dòng)電源的不斷涌現，其次是全球立法禁止白熾燈照明(由于其低效率)和CFL節能燈的逐步淡出(如果打破的話(huà)，它會(huì )流出對環(huán)境有害的水銀)。這些因素綜合起來(lái)正使得LED照明成為一個(gè)長(cháng)期的發(fā)展趨勢。當然，低系統成本(包括LED、熱管理系統和LED驅動(dòng)器)永遠是消費者廣泛采用LED通用照明的推動(dòng)力。
隔離和非隔離LED驅動(dòng)電源方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。ClassII將是主流，因為它簡(jiǎn)化了LED散熱問(wèn)題。ClassI或II系統依賴(lài)接地系統，在大多數情況下，跟安裝地點(diǎn)很有關(guān)系。ClassII較常見(jiàn)，它要求雙級或加強型隔離，也即需要變壓器磁性繞組、絕緣帶和物理隔絕。ClassI系統要求一個(gè)接地外殼和(或)機械障礙，而這時(shí)ClassII系統不需要的。
基于變壓器的隔離型的驅動(dòng)產(chǎn)品，據飛兆半導體技術(shù)行銷(xiāo)部經(jīng)理錢(qián)家法介紹道，他們也推出的兩款隔離型驅動(dòng)器： FL7730和FL7732是用于單級反激拓撲應用的有源PFC控制器，無(wú)次級反饋，降低材料清單成本，他們的效率能達到85%以上。驅動(dòng)集成的保護功能提高了周期系統的可靠性，具備開(kāi)路/短路保護、過(guò)熱關(guān)機、逐周期限流保護等功能，而且擁有了更長(cháng)的系統平均壽命，省去輸入電解電容并減少外部元件數目。
隔離型單級PSR反激拓撲FL7730和FL7732
據華潤矽威科技(上海)有限公司的銷(xiāo)售經(jīng)理賈存玉的介紹，基于變壓器的隔離型驅動(dòng)器，華潤矽威也推出了單片電流精度為±1%第二代原邊反饋離線(xiàn)式3-7W LED驅動(dòng)方案PT4213和PT4215。PT4213/15的電流的精度可達±3%。同時(shí)，為了提高效率，PT4213/15刪去了控制主MOSFET源極的內部低壓MOSFET,改為主MOSFET的柵極驅動(dòng)。芯片的供電也從主MOSFET的源極改為從主變壓器的輔助繞組。 PT4213是原邊反饋恒流控制器，適用于7W以下的LED球泡燈或PAR燈;PT4215是內置MOSFET原邊反饋恒流的穩流器，適用于3W的LED 燈杯。
下圖是采用PT4215的3W LED燈杯的典型應用電路。驅動(dòng)電路采用反激架構，工作在DCM模式。采用無(wú)光藕設計，方案簡(jiǎn)潔可靠，成本低廉。驅動(dòng)電路能夠接受85VAC~265VAC輸入范圍，輸出電流300mA，驅動(dòng)3顆1W LED串聯(lián)的燈串。
采用PT4215的典型應用電路
介紹幾個(gè)隔離式LED驅動(dòng)電源方案
1. 10W以下功率LED燈應用方案
目前10W以下功率LED應用廣泛，眾多一體式產(chǎn)品面世，即LED驅動(dòng)電源與LED燈整合在一個(gè)燈具中，方便了用戶(hù)直接使用。典型的燈具規格有GU10、E27、PAR30等。
針對這一應用，我們設計了如下方案(見(jiàn)圖1)
圖1 基于A(yíng)P3766的LED驅動(dòng)電路原理圖
該方案特點(diǎn)如下：
1. 基于最新的LED專(zhuān)用驅動(dòng)芯片AP3766，采用原邊控制方式，無(wú)須光耦和副邊電流控制電路，實(shí)現隔離恒流輸出，電路結構簡(jiǎn)單。通過(guò)電阻R5檢測原邊電 流，控制原邊電流峰值恒定，同時(shí)控制開(kāi)關(guān)占空比，保持輸出二極管D1的導通時(shí)間和整個(gè)開(kāi)關(guān)周期時(shí)間比例恒定，實(shí)現了輸出電流的恒定。
2. AP3766采用專(zhuān)有的“亞微安啟動(dòng)電流”技術(shù)，僅需0.6μA的啟動(dòng)電流，因此降低了啟動(dòng)電阻R1和R2上的功耗，提高了系統效率。典型5W應用效率大于80%，空載功耗小于30mW。
3. AP3766采用恒流收緊技術(shù)實(shí)現垂直的恒流特性，恒流精度高。
4. 電路元件數量少，AP3766采用SOT-23-5封裝，體積小，整個(gè)電路可以安裝在常用規格燈杯中。
5. 安全可靠，隔離輸出，具有輸出開(kāi)路保護、過(guò)壓保護及短路保護功能。
6. 功率開(kāi)關(guān)管采用三極管，省去了高壓場(chǎng)效應管，系統成本低。
圖2為該方案的5W應用電路樣機實(shí)物照片。圖3是基于A(yíng)P3766的5W LED驅動(dòng)裝置實(shí)物照片。圖4為基于A(yíng)P3766的5W LED驅動(dòng)電路滿(mǎn)載效率隨交流輸入電壓變化曲線(xiàn)。圖5為基于A(yíng)P3766的5W LED驅動(dòng)電路滿(mǎn)載輸出IV特性曲線(xiàn)。
2. 10～60W功率LED路燈、LED直管燈應用方案
IEC國際電工委員會(huì )對照明燈具提出明確的諧波要求，即IEC61000-3-2標準。因此對于較大功率LED照明應用，采用功率因數校正(PFC)控制技術(shù)成為必需。對于60W以下應用，有高性?xún)r(jià)比單級PFC控制方案，該方案電路原理圖如圖6所示。
圖6 基于A(yíng)P166+AP4313的LED驅動(dòng)電路原理圖
該方案特點(diǎn)有：
1 單級PFC方案，只用一級反激式電路拓撲，同時(shí)實(shí)現功率因數校正和隔離恒流輸出。元件數量少、體積小、性?xún)r(jià)比高。
2 高功率因數，采用有源功率因數校正控制芯片AP1661，功率因數PF>0.9，滿(mǎn)足IEC61000-3-2諧波標準。
3 采用副邊恒壓恒流控制芯片AP4313，恒流精度高，輸出電流誤差<3%。
4 高效率，滿(mǎn)載效率高達90%。
5 安全可靠，隔離輸出，具有輸出開(kāi)路保護，過(guò)壓保護及短路保護功能。
AP1661是一款工作于臨界導通模式下的有源功率因數校正控制芯片，可廣泛應用于開(kāi)關(guān)電源、LED驅動(dòng)和電子鎮流器的預調整變換器控制。該芯 片內部包括1個(gè)啟動(dòng)定時(shí)器可滿(mǎn)足待機應用要求，1個(gè)能實(shí)現接近于1的功率因數的單象限乘法器和1個(gè)零電流檢測模塊確保臨界斷續方式工作。AP1661的圖 騰柱驅動(dòng)輸出能夠為外部MOSFET或IGBT提供最大600mA驅動(dòng)電流和800mA關(guān)斷電流能力。采用了先進(jìn)的雙極型互補金屬氧化物半導體設計和制造 工藝，具有低啟動(dòng)電流，低工作電流和低功耗的特點(diǎn)。AP1661同時(shí)具有完善的保護功能，包括過(guò)壓保護、帶有滯后的輸入欠壓鎖定和乘法器輸出嵌位以限制開(kāi) 關(guān)最大峰值電流。圖7為該方案60W應用電路樣機實(shí)物照片。圖8為應用該方案LED直管燈實(shí)物照片。
3. 60～150W大功率LED路燈應用方案
在戶(hù)外照明部分，中國每年路燈市場(chǎng)需求量都在2000萬(wàn)盞以上，中國城市改造、城鎮建設、住宅建設及道路建設對于大功率、高亮度、節能的LED路燈產(chǎn)品的市場(chǎng)需求是極其龐大的。
在更大功率應用條件下，單級PFC電路難以同時(shí)兼顧PFC預調整和反激電路輸出恒流調整性能，這時(shí)需要采用兩級電路架構實(shí)現這一目標。因此，有新推出的PFC+PWM 兩級架構電路拓撲方案，該方案電路原理圖如圖9所示。
圖9 基于A(yíng)P1661+AP3102的LED驅動(dòng)電路原理圖
該電路采用Boost PFC+Flyback兩級拓撲結構，控制芯片采用PFC控制芯片AP1661，PWM控制芯片AP3102和副邊恒流控制芯片AP4310。該電路方案 優(yōu)點(diǎn)是輸入/輸出電容小，輸出紋波小，隔離輸出，功率因數高，電流精度控制在2%以?xún)�，可靠性高。圖10為該方案的90W應用電路樣機實(shí)物照片。圖11為 應用該方案大功率LED路燈燈具照片。
圖11 大功率LED路燈燈具照片
圖12 90W LED電源滿(mǎn)載效率曲線(xiàn) |
