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LED灯电源的达标对策


本文由 chz191 贡献 pdf 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT,或下载源文件到本机查看。 LED lighting Power LED 灯电源设计的达标对策 公司 广西大学 徽标 王希天 E-mail: mcvzl@126.com 能源之星 LED 灯泡规范草案 (一) 美国能源部于 2009 年 11 月发布能源之星 LED 灯泡规范草案, 并于

2010 年 8 月 生 效,整理摘要如下: (1) LED 灯最短使用寿命要求; LED 装饰灯使用 15000 小时流明维持 率在百分之七十(L70)以上。 所有其他类型 LED 灯泡最短作用寿命 25000 小时以上。 (2) 可靠性; (2.1)要求除了快速周期应力测试之外,还必须在适当的温度下对灯泡进行至少 6 千小时(250 天)的流明维持率测试。 (2.2)LDE 封装、模块、阵列的灯泡,须按北美 照明工程学会(IESNA)认可的 测量固体(LED)光源,阵列、模块的流明系数的方法测试三 千小时(125 天)测 试之后须能源之星认证。 功率因数及光效 (3)功率因数; (3.1)小于或等于五瓦的 LDE 灯的最小功率因数不作要求。 (小于 5W 的 LED 不必用 APFC 可降低成本。) (3.2)大于五瓦的 LED 的最小功率因数须达 0.7 或 以上。 (LED 灯不一定用有源功率因数 APFC 装置有效降低成本。 (4)光效及最小光输出 ) 值: (4.1)小于十瓦的 LED 灯的光效须大于每瓦五十流明(50L /W) (4.2)十瓦或更 。 大功率的 LDE 的光效须大于每瓦五十五流明(55L /W) (一分钱一分货,光效愈高的 LED 。 价愈贵,选合适的 LED 控制成本。 ) 最小光输出要求 (4. 外形、 3) 尺寸、 规格不同寻常的, 旨在替换低压白炽灯泡的 LED 灯的最小光 输出, 已从 400 流明下降至 200 流明的达标要求。对应的 LED 灯泡四瓦就达标了。 (意味着不妨考 虑用多个 4W 的小功率 LED 的组合,也可能是达标组合方案之一。 (4.4)LED 装饰灯最小 ) 光输出要求: LED 灯泡最小光输出(流明) 500 300 150 90 70 待替换白炽灯泡功率(瓦特) 60 40 25 15 10 达标对策 (二)达标对策 (5)按性能价格比选择达标的 LED 管: 从尽量低成本达标角度出发, 应该购每瓦七十流明(70L /W)的 LED 器件就可 以了。选购光效更高的 LED 器件将会导致达 标成本的虚高。 注意光衰与寿命指标的配合: 采购用于装饰灯的 LED 要求 2 万小时光衰不

大于 30%,而用于其他 LED 灯,须采 购 LED 要求 3 万小时光衰不大于 30%,否则,设计与制作 的努力可能空忙而不达标! LED 器件的光衰,除了 LED 的工艺质量因素之外,还与工作温度 有关: 工作温度愈高的 LED 光衰愈大;不同厂家的 LED 光衰差别是很大的,须反复比 较测 试才能优选供应 LED 的供货商,并把指定工作温度(例如摄氏 60 度)所对应的 LED 工作电 流、电压、光衰指标等指标,都须明确写入合同,须 LED 供货方明确执 行的条文内容。 功率因数,光效的考虑 功率因数,电流波形,光效的考虑: 美国能源之星对 LED 灯泡的最小功率因数要求之宽 容,是适于生产厂家成本的 压力;所以达标设计 LED 灯,单灯电源五瓦或更小功率时,不必 考核 “功率因数” 标。 指 而大于五瓦的 LED 灯泡的最小功率因数大于 0.7 是容易达标的。APFC 有源功率 因数作为习惯应用,须考虑成本和 EMC 情况,不一定要用上。 LED 的发光机理是 半导体电子能带跃迁, 所以 LED 光输出是与电流波形同步 的, 如果 LED 灯用于黑环境内的照 明,则可以考虑利用人类视网膜的延时错觉,可 望实现进一步 LED 节能——“高频率小占空 比梳齿状脉冲 LED 照明”——LED 以针状脉 冲强化照明,而在人类视觉延时结束之前时间内 不耗电,高频短周期 LED 发出强光 照明视觉的效果,等于在人类视网膜时延错觉的积分。这 是有待研究的“视觉心理 学”新方向之一。但是,对于用仪表仪器测试而言,由于没有人类 视网膜时延错觉惯 性,所以须用直流供电 LED 灯,也不允许有 50HZ/60HZ 的工频闪烁,即不 允许有“整 流过零”的波形。要实现工频交流整流波形不过零,保证 LED 灯光不闪烁,至少 可以 考虑下列措施; 措施 (A)用大容量电容滤波。 但是受大电容体积、重量、成本的制约,如果用电解电容, 还可能会导致可靠性短 板效应而崩盘。 (B)用三次谐波的波形叠加,改善整流波形。 (C) 用移相九十度交流整流波形叠加,有效改善整流波形不过零。 (D)用三相高频整流波形叠 加,可确保整流波形不过零。这是电力电子技术容易 实现的方案之一,可靠性很好,缺点是 成本较高。 适用于对成本不敏感, 而对可靠 性很重视的场合。 (E) 用回收电源直流母线中, 若干个谐波频率的能量,经检波(整流)成为直 流,回馈给直流母线,既可解决整流波形过 零的问题,又有效提升整个装置的电功 效率,并且还有效降低整个装置的 EMC 电平,有利于 通过“3C”的认证。 至于光效的考虑: 一是 LED 器件本身光效要足够高; 二是 LED 灯电源 适配器本身功耗要尽量低。 LED 灯具之电源设计 (三)LED 灯具之电源设计 凡事,预则立,不预则废。 设计之道,在于遵循规范,然 后综合考虑可靠性和安全性前提之下,找到实现 预定目标的创新方法。 (3.1)LED 灯具 电源设计的核心是“低纹波恒流”供电: 首先,LED 是固体发光器件之一,可用来作小功率 照明应用有独特优势。 其次,LED 本质是二极管,是低压稳压(齐纳)二极管,每一颗 LED 的工作电压 范围是 3.1 伏(小电流)至到 3.5 伏(大电流) 。设计之前,必须用实际测试的 方 法,来筛选 LED 在摄氏六十度的工作电压和工作电流一致的器件,来组合(串联、 并联、 串并联阵列)成为 LED 的照明产品。 LED 灯串联、并联 LED 并联工作用稳压电源供电,当温度升高,某最亮的 LED 灯工作电流分散 性,可能发 生恶性循环,而把最亮光的 LED 先烧坏。 LED 灯串联工作是用恒流电源供电,当温度升高时 某最亮的 LED 灯的工作电压 下降, 抵制了发生恶性循环的过程。 但某灯烧断可能导致整串不 亮,是其不足之 处。 LED 先并后串的阵列方法,可靠性较好,但筛选更须严格。 LED 先串, 分别控制每串恒流电源供电,然后,若干串之间并联,由稳压源供 电,是业界广泛认可的优 选阵列方法之一。虽然较复杂,成本较高,但 LED 较昂 贵,为使其可靠性和安全性较好,还 是值得推荐的。

单独恒流稳压控制拓扑之一 Uin GND LEDM LEDN LED1 CO RV DZV C u Cou Rb TI TV RV Uin Coc DZ1 Ro (图一)每串 LED 单独恒流稳压控制拓扑之一 原理性试验的模型 上述(图 1)只是原理性试验的模型,还不是产品实用电路; 因为只须用“微功耗的取 样” ,和“微功耗调节器” ,才能提升(图 1)的电功效率 0.90 以上,才有实用价值。请注意 用“科技资料查新”方法,才不致在无知中误侵犯 别人已登记注册的专利“微功耗取样”用 “微功耗调节器” 。我们也可能优选不同的 TU (稳压调节器)和 TI(恒流调节器) ,来创新 自己“LED 的稳压恒流供电”拓扑。 上述(图 1)的 DZU 及 DZI 均示意是“宽温度稳压管” 而已,同理,稳压调节管 TU,和恒流调节管 TI,也是“微功耗调节器”原理示意而已。前 提是暂不关注“电功效 率 0.90”的指标,可用(图 1)来做示范原理性验证。 单独恒流稳压控制拓扑之二 Uin Coc Ro DZI TI Rb CV RV CO LEDM LEDN LED1 TV DZ1 RV Uin GND (图二)每串 LED 单独恒流稳压控制拓扑之二 不隔离的 LED 灯电源拓朴 注意到(图 1)的稳压控制 TU 须高压 PNP 型器件,价格高于同耐压的 NPN 型器 件;又 注意到低压差电子滤波宜用 PNP 型器件,所以又设计另一拓扑见(图 2)所 示。请注意: (图 2)是 LED 与 UIN 电源母线的负极同电位可接 GND,而(图 1)是 LED 与 UIN 正极同电位可接 GND。 以上两图中的三只电容 、 、 起着有效降低 LED 的纹波的作用。重复再说一 遍; (图 1)和(图 2)只是抛砖引玉的两粒砖块而已,有待诸君有更好创新拓朴, 彼此交流切磋, 共同为提升中国 LED 的产业自主知识产权, 因为 LED 芯片的知识产 权绝大多数不为中国所控, 亡羊补牢也只能在芯片知识产权之外,做成中国的 LED 灯“智慧经济”产业。 (3.2)不 隔离的 LED 灯电源拓朴 LED 灯一端无须接地的非隔离的方案,一般视为“不隔离式 LED 灯” 来考虑其配 套的 LED 电源。小于 5W 的 LED 灯由于不要求“功率因数大于 0.7”的规定,可以 用最简 单的“交流电容限流”方案,见(图 3)所示。 非隔离式交流电容限流拓扑 CI F L RM Uin CV N RV CO TV DZ1 RV TI Rb RO Coc DZI

(图三)非隔离式交流电容限流 LED 电源拓扑 在(图 3)中靠 限制交流电流,运用于 5W 以内的小功率 LED 灯是可行的。其升 级版可加入触摸开关和各种异常保护等。形成各系 列产品。 LED 5W 非隔离式 LED 灯 BUCK 拓扑 对大于 5W 的 LED 灯,用上述(图 3)如若功率因数低于 0.7 的底线,可用 BUCK 拓朴提 升功率因数,见(图 4)所示; LBUCK RO F L Uin N TI Coc DZI E MI DBUCK CV Rb RV CO TV DZ1 RV LED 恒 流 控 制 异常保护 占空比 D TS LED 恒 压 控 制 (图四)非隔离式 LED 灯 BUCK 电源拓扑 隔离式的 LED 电源拓朴 (3.3)隔离式的 LED 电源拓朴: Uin Li D3 D1 N1 R N2 TVS CO C LED 恒 流 控 制 异常保护 Uin LED 恒 压 控 制 TS 占空比 D Li D2 (图五)隔离式 LED 灯反激电源拓扑 GND 业界对于小功率 LED 灯多数用反激式开关电源,见(图 5)所示,用电力电子 变压器 TR 的 N1 绕组与 N2 绕组,实现磁的耦合电的隔离,由 N2 次级倍电流整流给 LED 供电。 软开关 ZVZCS 反激拓扑 更大功率的隔离式 LED 灯可用双变压器 TR1 和 TR2 分别给两组独立的 LED 灯供 电,(图 见 6)所示; L1 Uin D1 N1 N2 CO DF1 CZV1 L2

D2 DZV TS LED 恒 流 控 制 占空比 D 异常保护 GND LED 恒 压 控 制 L3 DF2 CZV2 D3 N1 N2 CO L4 Uin D4 (图六)隔离式 LED 灯反激电源拓扑 软开关 ZVZCS 反激拓扑 软开关 ZVZCS 的(图 6)电力电子开关 TS,其占空比 D,受控于 LED“恒流控 制” ,还受 控于 LED 稳压控制,还受控于异常保护。一只电力电子开关 TS 同时驱动 两只电力电子变压 器 TR1 和 TR2,两只变压器次级 N2 分别各用“倍电流整流”分别供 电 LED1,和 LED2。 (图 5)和(图 6)的 LED 灯可以并联电容 减少纹波。 把(图 2)运用到(图 5)和(图 6)更能 有效减少纹波。 LED 灯具的其他相关要点 (四)LED 灯具的其他相关要点 (4.1)热设计: LED 的光衰,受温度影响关系巨大, 所以,如何散热的“LED 灯热设计”是不可 或缺的事。 散热三方法: 幅射散热; 幅射散 热与温差成正比,与幅射面积大小成正比,因此对 LED 灯幅射散热的效 果很有限。 对流散 热; 对流散热与流动工质的流速有关,与热交换面积有关与温差有关,与工质的热 容量系 数有关,因此用于 LED 灯散热受诸多限制。 传导散热: LED 器件体积小,用辐射和对流散 热受局限,比较优选的是用“热管”来传导散 热,能收到立竿见影好效果。 另外,应特强 调一体化 LED 灯的电源适配器的电功效率愈高,发热量就愈小。 电磁兼容与 EMI 滤波器 (4.2)电磁兼容与 EMI 滤波器; 如果用纯直流来直接点 LED 灯,那是不会发生 EMC 问 题的。 但是,如果用开关电源调控 LED 恒流和稳压,就必然会有 / 、 / 的瞬变过程, 于 是就发生电磁兼容的问题。 解决的办法是 EMI 滤波器,可以滤除差模干扰和共模干扰,使 LED 灯名符其实 是绿色光源。 “磁集成技术” 应用 可以大幅度提升 EMI 滤波器的性能价格比。 那超出 今天讲座的内容,且时间有限,以后有机会再向各位讲述吧。 1


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