解析LED照明電源設(shè)計的核心難題

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?shù)碾娊怆娙荨?/SPAN>

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?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)照明標準的離線型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1000µF、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)照明標準的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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