淺談LED照明電源設計的核心難題

在LED照明電源設計中,存在以下幾個設計難題: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 調光對LED的壽命有何影響、利用TRIAC調光調控LED亮度的潛在問題。安森美半導體高級應用工程經理鄭宗前在文中針對這些問題的發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照明的一個重要的考慮因素,就是LED驅動電路與LED本身的工作壽命應該能夠相提並論。雖然影響驅動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重要的影響。為了延長系統工作壽命,需要有針對性地分析應用中的電容,並選擇恰當的電解電容。

實際上,電解電容的有效工作壽命在很大程度上受環境溫度及由作用在內部阻抗上的紋波電流導致的內部溫升影響。電解電容製造商提供的電解電容額定壽命是根據暴露在最高額定溫度環境及施加最大額定紋波電流條件下得出的。在105°C時典型電容額定壽命可能是5,000小時,電容所實際遭受的工作應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然能夠延長工作壽命。另一方面,根據實際的應力和工作溫度,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;換個角度說,在設計中考慮保持適當的應力和工作溫度,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,安森美半導體符合「能源之星」固態照明標準的離線型LED驅動器GreenPoint®參考設計選擇了松下的ECA-1EM102鋁電解電容,其額定值為1,000µF、25 V、850 mA、2,000小時及85°C。在假定50°C環境溫度條件下,這電容的可用壽命超過12萬小時。因此,儘力使LED驅動電路工作在適宜的溫度條件並妥善處理散熱問題,就能實現LED驅動電路與LED工作壽命的匹配問題。

總的來看,如果LED驅動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,設計人員也應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70 Hz的光閃爍,高於這個頻率則不會感知。故在LED照明應用中,如果脈衝信號出現頻率低於70 Hz的低頻分量,人眼就會感受到閃爍。當然,在具體應用中,有多種因素可能導致LED燈閃爍。例如,在離線式低功率LED照明應用中,一種常見的電源拓撲結構是隔離型反激拓撲結構。以安森美半導體符合「能源之星」固態照明標準的8 W離線型LED驅動器GreenPoint®參考設計為例,由於反激穩壓器的正弦方波功率轉換並未給初級偏置提供恆定能量,動態自供電(DSS)電路可能會激活並引發光閃爍。為了避免這個問題,必須使初級偏置能夠在每個半周期部分放電,相應地,需要恰當選擇構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校正、支持TRIAC調光的LED驅動應用中,也要求電磁干擾(EMI)濾波器。由TRIAC階躍(step)引起的瞬態電流會激發EMI濾波器中電感和電容的自然諧振。如果這諧振特性導致輸入電流降至TRIAC維持電流之下,TRIAC將會關閉。短暫延時後,TRIAC通常又會導通,激發同樣的諧振。在輸入電源波形的一個半周期內,這系列事件可能會重複多次,從而形成可見的LED閃爍。為了應對這個問題,TRIAC調光的一項關鍵要求就是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。根據公式,調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,恢復想要的電路工作。

 PWM 調光對LED的壽命有何影響

LED本身的壽命很長,PWM調光並不會損及LED的預期壽命;甚至由於PWM調光幫助減小LED發熱量,實際上還能幫助延長LED預期壽命。當然,在系統設計中,需要有效地檢測及控制LED溫度,保證LED可靠工作,體現其長壽命和低維護成本的優勢。

利用TRIAC調光調控LED亮度的潛在問題

 當前TRIAC調光是一種頗受市場歡迎的調光方式。TRIAC調光器最初是為白熾燈設計的,但諸如安森美半導體這樣的領先供應商也推出了支持TRIAC調光的LED驅動器,非常適合在LED照明中提供TRIAC調光。但這種方式也有其局限所在,如增加電路複雜性、影響功率因數、調光級別相對有限等問題。安森美半導體身為應用於綠色電子產品的首要高性能、高能效硅方案供應商,最新推出了用於住宅及商業LED照明應用的LED驅動器NCL30000。這器件使用臨界導電模式(CrM)反激架構,以單段式拓撲結構提供高於0.95的功率因數,故又省卻直流-直流(DC-DC)轉換段,簡化了電路。這器件即使在低電平時也提供極高能效,符合各種規範要求及整體系統光效要求。另外,這器件兼容於前沿TRIAC調光器及尾沿晶體管調光器,視乎所用的調光器,LED光輸出可調至低於2%,提供優異的調光性能。

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