LED照明電源中幾個核心設(shè)計難題的探討

在LED照明電源設(shè)計中，存在以下幾個設(shè)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(diào)光對LED的壽命有何影響、利用TRIAC調(diào)光調(diào)控LED亮度的潛在問題。安森美半導(dǎo)體高級應(yīng)用工程經(jīng)理鄭宗前在文中針對這些問題的發(fā)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(qū)動電路與LED本身的工作壽命應(yīng)該能夠相提并論。雖然影響驅(qū)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(guān)重要的影響。為了延長系統(tǒng)工作壽命，需要有針對性地分析應(yīng)用中的電容，并選擇恰當(dāng)?shù)碾娊怆娙荨?/p>

實際上，電解電容的有效工作壽命在很大程度上受環(huán)境溫度及由作用在內(nèi)部阻抗上的紋波電流導(dǎo)致的內(nèi)部溫升影響。電解電容制造商提供的電解電容額定壽命是根據(jù)暴露在最高額定溫度環(huán)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(yīng)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(dāng)然能夠延長工作壽命。另一方面，根據(jù)實際的應(yīng)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(shè)計中考慮保持適當(dāng)?shù)膽?yīng)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(dǎo)體符合“能源之星”固態(tài)照明標(biāo)準(zhǔn)的離線型LED驅(qū)動器GreenPoint®參考設(shè)計選擇了松下的ECA-1EM102鋁電解電容，其額定值為1000 µF、25 V、850 mA、2,000小時及85°C。在假定50°C環(huán)境溫度條件下，這電容的可用壽命超過12萬小時。因此，盡力使LED驅(qū)動電路工作在適宜的溫度條件并妥善處理散熱問題，就能實現(xiàn)LED驅(qū)動電路與LED工作壽命的匹配問題。

總的來看，如果LED驅(qū)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(yīng)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(shè)計人員也應(yīng)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，高于這個頻率則不會感知。故在LED照明應(yīng)用中，如果脈沖信號出現(xiàn)頻率低于70 Hz的低頻分量，人眼就會感受到閃爍。當(dāng)然，在具體應(yīng)用中，有多種因素可能導(dǎo)致LED燈閃爍。例如，在離線式低功率LED照明應(yīng)用中，一種常見的電源拓撲結(jié)構(gòu)是隔離型反激拓撲結(jié)構(gòu)。以安森美半導(dǎo)體符合“能源之星”固態(tài)照明標(biāo)準(zhǔn)的8 W離線型LED驅(qū)動器GreenPoint®參考設(shè)計為例，由于反激穩(wěn)壓器的正弦方波功率轉(zhuǎn)換并未給初級偏置提供恒定能量，動態(tài)自供電(DSS)電路可能會激活并引發(fā)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(yīng)地，需要恰當(dāng)選擇構(gòu)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(shù)校正、支持TRIAC調(diào)光的LED驅(qū)動應(yīng)用中，也要求電磁干擾(EMI)濾波器。由TRIAC階躍(step)引起的瞬態(tài)電流會激發(fā)EMI濾波器中電感和電容的自然諧振。如果這諧振特性導(dǎo)致輸入電流降至TRIAC維持電流之下，TRIAC將會關(guān)閉。短暫延時后，TRIAC通常又會導(dǎo)通，激發(fā)同樣的諧振。在輸入電源波形的一個半周期內(nèi)，這系列事件可能會重復(fù)多次，從而形成可見的LED閃爍。為了應(yīng)對這個問題，TRIAC調(diào)光的一項關(guān)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(jù) 公式，調(diào)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(fù)想要的電路工作。

PWM 調(diào)光對LED的壽命有何影響

LED本身的壽命很長，PWM調(diào)光并不會損及LED的預(yù)期壽命;甚至由于PWM調(diào)光幫助減小LED發(fā)熱量，實際上還能幫助延長LED預(yù)期壽命。當(dāng)然，在系統(tǒng)設(shè)計中，需要有效地檢測及控制LED溫度，保證LED可靠工作，體現(xiàn)其長壽命和低維護成本的優(yōu)勢。

利用TRIAC調(diào)光調(diào)控LED亮度的潛在問題

當(dāng)前TRIAC調(diào)光是一種頗受市場歡迎的調(diào)光方式。TRIAC調(diào)光器最初是為白熾燈設(shè)計的，但諸如安森美半導(dǎo)體這樣的領(lǐng)先供應(yīng)商也推出了支持TRIAC調(diào)光的LED驅(qū)動器，非常適合在LED照明中提供TRIAC調(diào)光。但這種方式也有其局限所在，如增加電路復(fù)雜性、影響功率因數(shù)、調(diào)光級別相對有限等問題。安森美半導(dǎo)體身為應(yīng)用于綠色電子產(chǎn)品的首要高性能、高能效硅方案供應(yīng)商，最新推出了用于住宅及商業(yè)LED照明應(yīng)用的LED驅(qū)動器NCL30000。這器件使用臨界導(dǎo)電模式(CrM)反激架構(gòu)，以單段式拓撲結(jié)構(gòu)提供高于0.95的功率因數(shù)，故又省卻直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)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(guī)范要求及整體系統(tǒng)光效要求。另外，這器件兼容于前沿TRIAC調(diào)光器及尾沿晶體管調(diào)光器，視乎所用的調(diào)光器，LED光輸出可調(diào)至低于2%，提供優(yōu)異的調(diào)光性能。

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安森美半導(dǎo)體近期熱推的LED驅(qū)動方案

安森美半導(dǎo)體近期推出了幾款重要的高能效GreenPoint® LED驅(qū)動器參考設(shè)計，分別是：

1) 3W至5 W LED驅(qū)動器參考設(shè)計方案。這參考設(shè)計采用適合MR16 LED替代的尺寸及特性配置，經(jīng)過了精心構(gòu)建及測試，用于 驅(qū)動高亮度LED。這參考設(shè)計基于降壓-升壓型拓撲結(jié)構(gòu)，使用安森美半導(dǎo)體的非隔離型恒流配置、工作在約150千赫茲(kHz)頻率的NCP3065開關(guān)穩(wěn)壓器。這參考設(shè)計電路適合軌道照明、汽車照明及景觀照明等12 Vac或12 Vdc應(yīng)用，不論輸入線路及輸出LED電壓如何變化，均提供平坦的電流穩(wěn)流。這參考設(shè)計還提供獨特的自動檢測電路，支持12 Vdc或12 Vac電源輸入，同時維持目標(biāo)輸出電流。

2) 隔離型8 W恒流LED驅(qū)動器GreenPoint®參考設(shè)計方案。這參考設(shè)計是為期望符合美國 “能源之星”(ENERGY STAR®)住宅照明應(yīng)用1.1版固態(tài)照明(SSL)要求的設(shè)計人員而設(shè)，同樣經(jīng)過了精心構(gòu)建及測試，用于驅(qū)動便攜臺燈、櫥柜內(nèi)照明及戶外走廊燈等應(yīng)用中的1到8顆大功率LED。這參考設(shè)計采用新穎的電路配置，無須增加額外的無源功率因數(shù)校正(PFC)網(wǎng)絡(luò)，即可在115 Vac條件下提供高于0.85的功率因數(shù)，減少了元器件數(shù)量，并輕松滿足住宅LED應(yīng)用功率因數(shù)要求。這設(shè)計支持90 Vac至265 Vac的通用輸入電壓工作，采用安森美半導(dǎo)體集成了固定頻率電流模式控制器和700 V MOSFET的NCP1014開關(guān)穩(wěn)壓器集成電路(IC)。

3) 針對離線式高功率因數(shù)TRIAC調(diào)光LED驅(qū)動器的GreenPoint®參考設(shè)計。這參考設(shè)計采用了NCL30000這關(guān)鍵器件，旨在用于美國“能源之星”商業(yè)及住宅照明應(yīng)用。NCL30000工作溫度范圍為-40°C至+125°C，確保能用于大多數(shù)固態(tài)照明(SSL)應(yīng)用中規(guī)定的不同環(huán)境工作范圍。NCL30000擁有典型值24微安(µA)的低啟動電流及典型值2 mA的低工作電流，配合高能效設(shè)計。NCL30000的其它關(guān)鍵特性包括可編程導(dǎo)通時間限制器、零電流檢測(ZCD)感測模塊、門驅(qū)動器，以及應(yīng)用CrM開關(guān)電源所需的全部其它PWM電路和保護功能。

安森美半導(dǎo)體LED驅(qū)動設(shè)計優(yōu)勢

安森美半導(dǎo)體提供眾多不同的LED驅(qū)動方案，用于寬廣范圍的應(yīng)用：汽車、移動/便攜(手機和數(shù)碼相機的LCD背光及相機閃光)、中大尺寸的LCD屏幕(筆記本、上網(wǎng)本、液晶電視)的LCD背光、標(biāo)志、建筑物，以及通用照明。

安森美半導(dǎo)體提供的產(chǎn)品涵蓋3種LED驅(qū)動方法：線性方案(極簡單且極少外部元件)、直流-直流(DC-DC)電感型開關(guān)轉(zhuǎn)換器(用于提供高能效及較大電流)，以及電荷泵開關(guān)轉(zhuǎn)換器(用于提供高能效及緊湊的尺寸)。

安森美半導(dǎo)體還提供不同的LED光輸出調(diào)制/調(diào)光方法：三端雙向可控硅開關(guān)元件(TRIAC)調(diào)光、脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光、模擬調(diào)光、數(shù)字調(diào)光(DALI、I2C等)。

安森美半導(dǎo)體的LED驅(qū)動器產(chǎn)品可采用不同類型的電壓源供電：從120 Vac到480 Vac(美國某些公路的電壓規(guī)格)的交流高壓、中等交流或直流電壓(如汽車中的12 Vac或12 Vdc電壓)、0.9至5 V的便攜電池。

總的來看，無論是何種LED照明應(yīng)用，無論需要何種驅(qū)動方案，無論需要何種調(diào)光方法，無論采用何種常見電源電壓供電，安森美半導(dǎo)體均可提供適合的LED驅(qū)動器方案，滿足客戶的不同需求。

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