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                            LED驅動電源的分類及工作原理-LED注意事項及電源失效原理分析-KIA MOS管

                            信息來源:本站 日期:2018-11-05 

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                            LED驅動電源介紹

                            LED驅動電源是把電源供應轉換為特定的電壓電流以驅動LED發光的電源轉換器,通常情況下:LED驅動電源的輸入包括高壓工頻交流(即市電)、低壓直流、高壓直流、低壓高頻交流(如電子變壓器的輸出)等。而LED驅動電源的輸出則大多數為可隨LED正向壓降值變化而改變電壓的恒定電流源。

                            LED驅動電源選擇和設計時應注意問題

                            1.高可靠性 特別像LED路燈的驅動電源,裝在高空,有防水鋁殼驅動電源,質量好的話不容易壞,減少維修次數。

                            2.高效率 LED是節能產品,驅動電源的效率要高。對于電源安裝在燈具內的結構,尤為重要。因為LED的發光效率隨著LED溫度的升高而下降,所以LED的散熱非常重要。電源的效率高,它的耗損功率小,在燈具內發熱量就小,也就降低了燈具的溫升。對延緩LED的光衰有利。

                            3.高功率因數 功率因數是電網對負載的要求。一般70瓦以下的用電器,沒有強制性指標。雖然功率不大的單個用電器功率因素低一點對電網的影響不大,但晚上大家點燈,同類負載太集中,會對電網產生較嚴重的污染。對于30瓦~40瓦的LED驅動電源,據說不久的將來,也許會對功率因數方面有一定的指標要求。

                            4.驅動方式 通行的有兩種:其一是一個恒壓源供多個恒流源,每個恒流源單獨給每路LED供電。這種方式,組合靈活,一路LED故障,不影響其他LED的工作,但成本會略高一點。另一種是直接恒流供電,LED串聯或并聯運行。它的優點是成本低一點,但靈活性差,還要解決某個LED故障,會影響其他LED運行的問題。這兩種形式,在一段時間內并存。多路恒流輸出供電方式,在成本和性能方面會較好。也許是以后的主流方向。

                            5.浪涌保護 LED抗浪涌的能力是比較差的,特別是抗反向電壓能力。加強這方面的保護也很重要。有些LED燈裝在戶外,如LED路燈。由于電網負載的啟甩和雷擊的感應,從電網系統會侵入各種浪涌,有些浪涌會導致LED的損壞。因此LED驅動電源要有抑制浪涌的侵入,保護LED不被損壞的能力。

                            6.保護功能 電源除了常規的保護功能外,最好在恒流輸出中增加LED溫度負反饋,防止LED溫度過高。

                            7.防護方面 燈具外安裝型,電源結構要防水、防潮,外殼要耐曬。

                            8.驅動電源的壽命要與LED的壽命相適配。

                            9.要符合安規和電磁兼容的要求。

                            隨著LED的應用日益廣泛,LED驅動電源的性能將越來越適合LED的要求。

                            LED驅動電源的分類

                            按驅動方式

                            (1)恒流式

                            a、恒流驅動電路輸出的電流是恒定的,而輸出的直流電壓卻隨著負載阻值的大小不同在一定范圍內變化,負載阻值小,輸出電壓就低,負載阻值越大,輸出電壓也就越高;

                            b、恒流電路不怕負載短路,但嚴禁負載完全開路。

                            c、恒流驅動電路驅動LED是較為理想的,但相對而言價格較高。

                            d、應注意所使用最大承受電流及電壓值,它限制了LED的使用數量;

                            (2)穩壓式

                            a、當穩壓電路中的各項參數確定以后,輸出的電壓是固定的,而輸出的電流卻隨著負載的增減而變化;

                            b、穩壓電路不怕負載開路,但嚴禁負載完全短路。

                            c、以穩壓驅動電路驅動LED,每串需要加上合適的電阻方可使每串LED顯示亮度平均;

                            d、亮度會受整流而來的電壓變化影響。

                            (3)脈沖驅動

                            許多LED應用都需要具備調光功能,比如LED背光或建筑照明調光。通過調整LED的亮度和對比度可以實現調光功能。簡單地降低器件的電流也許能夠對LED發光進行調整,但是讓LED在低于額定電流的情況下工作會造成許多不良后果,比如色差問題。取代簡單電流調整的方法是在LED驅動器中集成脈寬調制(PWM)控制器。PWM的信號并不直接用于控制LED,而是控制一個開關,例如一個MOSFET,以向LED提供所需的電流。PWM控制器通常在一個固定頻率上工作并且對脈寬進行調整,以匹配所需的占空比。當前大多數LED芯片都使用PWM來控制LED發光,為了確保人們不會感到明顯的閃爍,PWM脈沖的頻率必須大于100HZ。PWM控制的主要優點是通過PWM的調光電流更加精確,最大程度地降低LED發光時的色差。

                            (4)交流驅動

                            交流驅動器根據不同的應用也可分為降壓型、升壓型、變換器3種類型。交流驅動器和直流驅動器的區別除了需要對輸入的交流屯進行整流濾波之外,從安全角度考慮還存在-個隔離和不隔離的問題。

                            交流輸入驅動器主要用于改型燈:對十PAR(Parabolic Aluminum Reflector,碗碟狀反射,是專業舞臺上的一種常見燈具)燈、標準燈泡等而言,它們在100V、120V或230V的交流輸入下運行;而對于MR16燈而言,則需要在12V的交流輸入下工作。由于存在某些復雜的問題,如標準三端雙向可控硅開關或前沿后沿調光器的調光能力問題,以及與電子變壓器(從交流線電壓生成MR16燈工作時的12V交流電)的兼容性問題(即無閃爍操作),因此,與直流輸入驅動器相比,交流輸入驅動器所涉及的領域更為復雜。 

                            交流供電(市電驅動)應用于LED驅動,一般要經過降壓、整流、濾波、穩壓(或穩流)等環節,使交流電源轉換為直流電源,然后通過適合的驅動電路為LED提供合適的工作電流,還要有高的轉換效率、較小的體積和較低的成本,同時解決安全隔離問題??紤]到對電網的影響,還要解決好電磁干擾和功率因數問題。對于中小功率的LED,其最佳電路結構是隔離式單端反激變換電路;對于大功率的應用,應該使用橋式變換電路。 

                            按電路結構

                            (1)電阻、電容降壓方式:通過電容降壓,在閃動使用時,由于充放電的作用,通過LED的瞬間電流極大,容易損壞芯片。易受電網電壓波動的影響,電源效率低、可靠性低。

                            (2)電阻降壓方式:通過電阻降壓,受電網電壓變化的干擾較大,不容易做成穩壓電源,降壓電阻要消耗很大部分的能量,所以這種供電方式電源效率很低,而且系統的可靠也較低。

                            (3)常規變壓器降壓方式:電源體積小、重量偏重、電源效率也很低、一般只有45%~60%,所以一般很少用,可靠性不高。

                            (4)電子變壓器降壓方式:電源效率較低,電壓范圍也不寬,一般180~240V,波紋干擾大。

                            (5)RCC降壓方式開關電源:穩壓范圍比較寬、電源效率比較高,一般可以做到70%~80%,應用也較廣。由于這種控制方式的振蕩頻率是不連續,開關頻率不容易控制,負載電壓波紋系數也比較大,異常負載適應性差。

                            (6)PWM控制方式開關電源:主要由四部分組成,輸入整流濾波部分、輸出整流濾波部分、PWM穩壓控制部分、開關能量轉換部分。PWM開關穩壓的基本工作原理就是在輸入電壓、內部參數及外接負載變化的情況下,控制電路通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環反饋,調節主電路開關器件導通的脈沖寬度,使得開關電源的輸出電壓或電流穩定(即相應穩壓電源或恒流電源)。電源效率極高,一般可以做到80%~90%,輸出電壓、電流穩定。一般這種電路都有完善的保護措施,屬高可靠性電源。

                            電源安裝位置分類

                            驅動電源按安裝位置可分為外置電源和內置電源。

                            (1)外置電源

                            顧名思義,外置電源就是把電源安裝在外面的。一般電壓比較高,對人有安全危險的,就需要外置電源。與內置電源的區別就是電源加了一個外殼,常見的有路燈。

                            (2)內置電源

                            就是把電源安裝在燈具內,一般都是電壓比較低,12v到24v,對人沒什么安全隱患。這個常見的有球泡燈。

                            注意事項

                            根據電網的用電的特點,led特性的要求以及相關LED產品,在選擇LED驅動電源時要考慮到以下幾點:

                            總體原則

                            a、根據LED電流和電壓特點,比較理想的是使用恒流驅動。它能避免LED正向電壓的改變而引起電流變動,同時恒定的電流使LED的亮度穩定。

                            b、另外,LED光通量與溫度成反比,所以使用中應盡量減少電源發熱和設計良好的散熱系統。從而降低LED工作的環境溫度。

                            c、為了保證LED產品的整體壽命,必須將LED的結溫控制在一定的范圍內,也就是要控制好LED產品的工作環境溫度。

                            1、高可靠性

                            LED產品主要是有LED芯片和電源,散熱外殼,控制電路等組成。其中LED電源的好壞直接影響了產品的好壞。特別是LED路燈產品,由于裝在高空,維修不方便,維修的花費也大。

                            2、高效率

                            LED是節能產品,驅動電源也要符合節能的要求。特別是電源安裝在燈具內的結構,尤為重要。因為LED的發光效率隨著LED溫度的升高而下降。電源的效率高,它的耗損功率小,在燈具內發熱量就小,也就降低了燈具的溫升。對延緩LED的光衰有利。

                            3、恒流驅動方式

                            為了配合LED的伏安特性,所以LED電源必須使用恒流驅動的方式。

                            4、浪涌保護

                            LED抗沖擊能力比較差,所以要加強這方面的保護。特別是一些裝在戶外的產品,電網負載的啟停和雷擊都會對電源有沖擊。因此LED驅動電源的輸入端要有抑制浪涌的保護電路,避免開關瞬間損壞LED。

                            5、溫度保護功能

                            電源除了常規的保護功能外,最好在恒流輸出中增加LED芯片溫度負反饋,防止LED芯片PN結溫度過高。

                            6、LED電源壽命

                            要提高LED驅動電源壽命,就需要從多方面來改善:使用較高壽命的電容,提高電源效率,做好電源的散熱功能,優化燈具的散熱設計。LED電源屬于開關電源,開關電源的質量與可靠性取決于其電路設計,生產工藝,及器件的質量。電解電容是大功率開關電源中必不可少的組成部分。 而開關電源的正常工作壽命要取決于電源所使用的電解電容的壽命,電解電容的壽命又取決于電容本身的壽命及工作溫度,電解電容在不同的溫度下其工作壽命差異很大。

                            7、工作環境

                            由于各個地方環境的不同,要著重考慮LED燈具工作場所的環境,如:溫度、濕度、安裝位置等。

                            考慮到電源的工作方式,如果不加軟啟動電路,通電瞬間,輸出會有一個電壓尖峰。為更好的保護LED,所以需要加軟啟動電路。這一點正是驅動電源穩定性的一個關鍵因素

                            LED驅動電源失效分析

                            相對LED驅動電源光源來說,LED驅動電源的結構更復雜,需要權衡的地方會更多,使得LED驅動電源往往比LED光源先失效。據統計,整燈失效中超過80%的原因是電源出現了故障。導致LED驅動電源失效的原因很多,可歸納為以下幾大類。

                            1、電子元器件老化

                            包括電阻、電容、二極管、三極管、LED、連接器、IC等器件開路、短路、燒毀、漏電、功能失效、電參數不合格、非穩定失效等各種失效問題。

                            2、PCB質量問題

                            包括PCB、PCBA潤濕不良、爆板、分層、CAF、開路、短路等等各種失效問題。

                            3、LED電源散熱不良

                            驅動電路由電子元件組成,少數元件對溫度非常敏感。如電解電容,通行的電解電容壽命估算公式為“溫度每降低10度,壽命增加一倍”,散熱不良很可能導致其壽命大大縮短,提前失效,致使LED電壓出現故障,燈具失效。尤其是對于內置式電源(放在整燈內的電源),發熱量大的電源會增加整燈的導熱、散熱壓力,LED的溫度將升高,其光效和壽命將大大降低。所以在設計LED電源時,就應該重視其自身的散熱問題。因此在開始設計燈具初期進行評估,電源的設計同步進行,就能解決以上問題。在設計中要綜合考慮LED的散熱和電源的散熱,整體控制燈具的升溫,這樣才能設計出較好的燈具。

                            4、電源設計中的問題

                            (1)功率設計。雖然LED光效高,但是還有80%~85%的熱能損耗,致使燈具內部有20~30K的溫升,如果室溫在25℃,燈具內部則有45~55℃,電源長時間在高溫環境下工作,要保證壽命就必須加大功率裕量,一般留存1.5~2倍的裕量。

                            (2)元件選型。燈具內部溫度在45~55℃時,電源內部溫升還有20℃左右,則元件附件的溫度要達到65~75℃。有些元件在高溫時參數會漂移,甚至壽命會縮短,所以器件要選擇能在較高溫度下長時間使用的,還要特別注意電解電容和導線。

                            (3)電性能設計。開關電源針對LED的參數設計,主要是恒流參數,電流的大小決定LED的亮度,如果批量電流誤差較大,則整批燈的亮度不均勻。而且溫度的變化也能致使電源輸出電流偏移。一般批量誤差控制在±5%以內,才能保證燈的亮度一致,LED的正向壓降有偏差,電源設計的恒流電壓范圍要包含LED的電壓范圍。多個LED串聯使用時,最小壓降乘以串聯數量為下限電壓,最大壓降乘以串聯數量為上限電壓,電源的恒流電壓范圍要比這個范圍稍寬些,一般上下限各留1~2V裕量。

                            (4)PCB布板設計。LED燈具留給電源的尺寸較小(除非電源是外置的),所以在PCB設計上要求較高,要考慮的因素也較多。安全距離要留夠,要求輸入和輸出隔離的電源,一次側電路和二次側電路要求耐壓1500~2500VAC,在PCB上至少要留夠3mm的距離。如果是金屬外殼的燈具,則整個電源的布板還要考慮高壓部分和外殼的安全距離。如果沒有空間保證安全距離就要利用其他措施保證絕緣,比如在PCB上打孔、加絕緣紙、灌封絕緣膠等。另外布板還要考慮熱量均衡,發熱元件要均勻分布,不能集中放置,避免局部溫度升高。電解電容遠離熱源,減緩老化,延長使用壽命。

                            5、雷擊損壞

                            雷擊是一種常見的自然現象,特別是在雨季尤為常見。其所帶來的危害和損失全球每年以千億美元來計。雷擊分為直接雷擊和間接雷擊,間接雷主要包括傳導雷和感應雷。由于直接雷所帶來的能量沖擊非常大,破壞力極強,一般電源是無法承受的,故這里主要討論的是間接雷型。

                            雷擊所形成的浪涌沖擊是一種瞬態波,屬于瞬變干擾,可以是浪涌電壓,也可以是浪涌電流。沿著電源線或其他路徑(傳導雷)或通過電磁場(感應雷)而傳送至電源線路。其波形特征是先快速上升然后慢慢下降。這種現象會對電源產生致命的影響,其產生的瞬間的浪涌沖擊遠遠超出一般電子器件的電性應力,導致的直接結果是電子元件損壞。

                            6、電網電壓超出電源負荷

                            當同一個變壓器電網支路配線太長,支路中有大型動力設備時,在大型設備啟停時,電網電壓會劇烈波動,甚至導致電網不穩。當電網瞬時電壓超過310 VAC時有可能損壞驅動器(即使有防雷裝置也無效,因為防雷裝置是應對幾十微秒級別的脈沖尖峰,而電網波動可能達到幾十毫秒,甚至幾百毫秒)。因此,路燈照明支路電網上有大型電力機械時要特別注意,最好監測下電網波動幅度,或者由單獨電網變壓器供電。

                            7、焊點失效

                            電源封裝主要涉及PCB板與元器件之間的連接工序,其中焊點扮演者重要的角色。焊點的主要作用是實現電子元器件與基板(LED電源中針對的是PCB板)的機械連接和電氣連接,焊點質量嚴重影響著器件的可靠性。焊點失效一方面來自于生產裝配中的焊接故障,如焊料橋連、虛焊、空洞、曼哈頓現象。另一方面是在服役過程中,當環境溫度變化時,由于元器件與PCB板存在熱膨脹系數差,在焊點內產生熱應力,應力的周期性變化會造成焊點的疲勞損傷,最終導致疲勞失效。


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