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反激LED驅(qū)動(dòng)就真的穩(wěn)定嗎?為什么PFC調(diào)節(jié)效果好?

發(fā)布時(shí)間:2014-11-11 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】電子工程師都知道影響SSL間歇性閃爍的關(guān)鍵原因在于LED驅(qū)動(dòng)電路的構(gòu)造。LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展至今紋波抑制技術(shù)能夠提供高效率低成本且安全舒適的LED照明。本文就為您詳細(xì)解析驅(qū)動(dòng)電路如何消除LED燈光閃爍問(wèn)題。

用效率更高、壽命更長(zhǎng)的基于LED的固態(tài)照明(SSL)系統(tǒng)來(lái)替換傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈,是照明產(chǎn)業(yè)無(wú)可爭(zhēng)辯的發(fā)展趨勢(shì)。然而,由于SSL燈具需要像傳統(tǒng)照明系統(tǒng)一樣被直接連通到交流電網(wǎng),驅(qū)動(dòng)電路的輸出端會(huì)出現(xiàn)電流紋波,從而導(dǎo)致100赫茲或120赫茲的閃爍現(xiàn)象。即便人眼可能并不能覺察到這種閃爍,它也會(huì)讓人感覺不舒服,比如導(dǎo)致頭痛和其他不適。對(duì)LED的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行細(xì)致的設(shè)計(jì),能夠讓這種閃爍實(shí)現(xiàn)最小化,并有助于確保固態(tài)照明系統(tǒng)在廣泛部署的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)其高能效的諾言。

事實(shí)上,LED及燈具制造商很渴望解決這個(gè)閃爍的問(wèn)題,并已和驅(qū)動(dòng)器制造商合作以便得到合適的解決方案,因?yàn)闊艄獾拈W爍程度,最終還是取決于驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。本文將解釋出現(xiàn)閃爍的根源,探討閃爍的特征,描述其出現(xiàn)于LED照明的機(jī)理,并闡釋工程師如何在不同的驅(qū)動(dòng)電路架構(gòu)之間進(jìn)行權(quán)衡,以找到恰當(dāng)?shù)?ldquo;成本/效益”組合。我們將描述一種紋波抑制電路,它成本效益高,靈活性好,能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)閃爍LED照明。

未來(lái)趨勢(shì)

在未來(lái)的幾年中,LED照明將取代包括白熾燈泡和熒光燈泡及燈管在內(nèi)的傳統(tǒng)照明,這是廣泛認(rèn)可的發(fā)展趨勢(shì)。因?yàn)長(zhǎng)ED是新一代的植根于電子技術(shù)的光源,市場(chǎng)的期望就不僅僅是更高的SSL系統(tǒng)級(jí)效率,還要有更佳的照明環(huán)境。

然而,同傳統(tǒng)照明技術(shù)一樣,絕大多數(shù)的LED光源都直接連通于全球各區(qū)域的交流主干網(wǎng),其工作頻率隨所在區(qū)域的不同而 其中就包括紋波抑制電路。SSL產(chǎn)品分別為50赫茲或者60赫茲。即便經(jīng) 開發(fā)者需要從應(yīng)用的需求出發(fā),從成過(guò)整流之后,頻率也只有100或120 本和性能兩方面考慮,就產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)赫茲。由于其相對(duì)較低的頻率,任何 方法進(jìn)行評(píng)估,并選擇合適的驅(qū)動(dòng)電與電網(wǎng)相關(guān)的閃爍都可能被人眼覺察 路。不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)閃爍的可接受到。實(shí)際上,這種整流電路可能導(dǎo)致 程度是不一樣的。同樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì),間歇性閃爍( strobe flicker),它會(huì)對(duì) 可能由于閃爍而不符合室內(nèi)應(yīng)用的人體造成前面提到的各種不適。

特別是,基于單極架構(gòu)設(shè)計(jì)的用 良好方案。來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正(PFC)和驅(qū)動(dòng)電流輸出的LED驅(qū)動(dòng)電路,是有可能產(chǎn)生閃爍的。除了別的因素之外,這種閃爍還受到LED紋波電流的影響。好在有多種方法來(lái)消除這個(gè)問(wèn)題,其中就包括紋波抑制電路。SSL產(chǎn)品開發(fā)者需要從應(yīng)用的需求出發(fā),從成本和性能兩方面考慮,就產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行評(píng)估,并選擇合適的驅(qū)動(dòng)電路。不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)閃爍的可接受程度是不一樣的。同樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì),可能由于閃爍而不符合室內(nèi)應(yīng)用的要求,但也許是戶外街道或區(qū)域照明的良好方案。

反激LED驅(qū)動(dòng)就真的穩(wěn)定嗎?為什么PFC調(diào)節(jié)效果好?
圖1:LED驅(qū)動(dòng)器中的無(wú)源或“填谷式”PFC前級(jí)暨DC/DC轉(zhuǎn)換器后級(jí)電路

 
閃爍的影響

當(dāng)下人們開始更多注意70-160赫茲范圍的高頻閃爍燈光下的長(zhǎng)期暴露問(wèn)題。這種閃爍會(huì)導(dǎo)致不安、頭痛、以及視力損傷。一些研究者甚至聲稱視網(wǎng)膜可以感知到高達(dá)200赫茲的閃爍,不過(guò)測(cè)試表明,當(dāng)頻率高于160赫茲的時(shí)候,其對(duì)健康的影響就是微乎其微的了。鑒于前面提到的經(jīng)過(guò)整流之后形成的100赫茲和120赫茲的電源頻率,在這里我們將重點(diǎn)關(guān)注這個(gè)頻率范圍的閃爍消除問(wèn)題。而事實(shí)上,100赫茲或120赫茲閃爍對(duì)人類健康的影響,不僅僅是一個(gè)頻率相關(guān)的問(wèn)題,也是一個(gè)與物理及生理因素相關(guān)的問(wèn)題。
閃爍的定義

我們首先需要了解閃爍的基本特征。

反激LED驅(qū)動(dòng)就真的穩(wěn)定嗎?為什么PFC調(diào)節(jié)效果好?
圖2:?jiǎn)渭?jí)有源PFC驅(qū)動(dòng)電路的架構(gòu)
 
閃爍百分比(percent flicker)是對(duì)光源輸出的周期性變化的一個(gè)相對(duì)度量(亦即調(diào)制百分比)。有時(shí)候,也被稱作“調(diào)制指數(shù)”。我們可以使用最大(A)及最小(B)光輸出值來(lái)計(jì)算出閃爍百分比。將A與B的和去除A與B的差,就得到一個(gè)百分?jǐn)?shù)。

前面已經(jīng)提及,除了頻率外,閃爍指數(shù)的大小也是影響照明給人的感覺的重要因素。閃爍指數(shù)越高,人眼的敏感度就越強(qiáng),感覺的舒適性就越差。
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固態(tài)照明光源的輸出

定義了閃爍之后,我們?cè)賮?lái)考察LED光源的工作情況。LED的光照輸出基本上與驅(qū)動(dòng)電流成線性關(guān)系。仔細(xì)研讀任何大功率LED的據(jù)手冊(cè),就會(huì)發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流與光照輸出的圖形曲線中的這種線性關(guān)系。顯然,從這樣的圖形曲線可以得知,驅(qū)動(dòng)電流是造成LED光照閃爍的關(guān)鍵根源,因此,提供恒定的電流就是LED驅(qū)動(dòng)電路的首要工作。

在討論100-120赫茲閃爍的時(shí)候,通常我們關(guān)注的是室內(nèi)照明的情況。有好幾種可以輸出恒定電流的室內(nèi)照明用LED驅(qū)動(dòng)電路方案。例如,在交流整流之后接人簡(jiǎn)單的限流電阻、線性半導(dǎo)體調(diào)整電路、以及開關(guān)式脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)整電路等,都是可能的方案。不過(guò),這些方案都在我們的考慮范圍之外,因?yàn)樗鼈儾荒軡M足室內(nèi)商業(yè)應(yīng)用所要求的功率因數(shù)(PF)。典型情況下,商業(yè)應(yīng)用要求PF值大于0.9。越來(lái)越多的國(guó)家和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(例如能源之星和美國(guó)光源設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)(Design-LightsConsortium,DLC》都要求照明的PF值大于0.9。我們預(yù)計(jì),PF值低于0.9的燈及燈具將會(huì)很快被淘汰。

驅(qū)動(dòng)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

闡明對(duì)PF值的要求之后,我們?cè)賮?lái)考察可用于室內(nèi)固態(tài)照明產(chǎn)品、并且符合成本及性能要求的幾種驅(qū)動(dòng)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外,我們還將介紹一種在單級(jí)電路中普遍使用的、用于降低大的紋波電平的新方法。

無(wú)源PFC暨開關(guān)式DC/DC轉(zhuǎn)換電路。圖2揭示的是一個(gè)兩級(jí)電路,它包括一個(gè)無(wú)源PFC前級(jí),以及一個(gè)開關(guān)式DC/DC轉(zhuǎn)換器次級(jí)。這種構(gòu)造廣泛用于低成本的后備式適配器以及充電器。這種PF設(shè)計(jì)常常被看作是“填谷式”方法,因?yàn)樗褂昧溯敵鲭娙輥?lái)保持電壓的穩(wěn)定,避免其跌落到低電平。由于使用了填谷電路及大容量電容,該方案的電流紋波很小且易于控制。這種無(wú)源方案的缺點(diǎn)就是它不能用于超過(guò)20W的功率,因?yàn)樵诖蠊β是闆r下,其PF電磁兼容性(EMC)有著先天不足的問(wèn)題。這個(gè)設(shè)計(jì)無(wú)法通過(guò)IEC EN61000-3-2(諧波電流輻射測(cè)試)C類標(biāo)準(zhǔn)。此外,無(wú)源方案也不能實(shí)現(xiàn)寬電壓輸入范圍(如100-240 VAC)。

單級(jí)有源PFC。帶有源PFC的單級(jí)方案如圖3所示,它被廣泛用于具有寬輸入范圍的LED驅(qū)動(dòng)電路。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有良好的功率轉(zhuǎn)換效率和PF值,以及較寬的負(fù)載范圍。缺點(diǎn)就是電流紋波大,會(huì)導(dǎo)致可見或不可見的100-120赫茲閃爍。良好的設(shè)計(jì)可以把電流紋波降低到一個(gè)相對(duì)較低的水平,不過(guò),即便如此,其紋波水平依然高于前述的兩級(jí)方案。這種單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)有趣特征是,每一只LED負(fù)載所特有的電壓及電流特性,會(huì)極大地影響紋波的大小。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)者正在尋求更好的方法來(lái)控制這種單級(jí)方案的紋波水平。

有源PFC暨開關(guān)式DC/DC。解決輸出紋波問(wèn)題的一種方法就是在有源PFC前級(jí)之后,再增加一個(gè)有源次級(jí)電路。不過(guò),DC/DC轉(zhuǎn)換級(jí)的加入,會(huì)使驅(qū)動(dòng)電路的成本增加15-20%。這個(gè)電路極大地減小了輸出紋波電流,幾乎實(shí)現(xiàn)了理想的直流輸出,而代價(jià)就是損失了2-3%的效率。另外,這種結(jié)構(gòu)能夠涵蓋室內(nèi)照明應(yīng)用所需的絕大多數(shù)功率等級(jí)并被廣泛采用。

單級(jí)PFC暨紋波抑制器。理想情況下,SSL系統(tǒng)設(shè)計(jì)者希望擁有一種低成本的方案來(lái)降低紋波輸出,這就又把我們帶回到了單級(jí)的實(shí)現(xiàn)方案。幸運(yùn)的是,確實(shí)還有一種降低輸出紋波電流的好方法,其電路比DC/DC轉(zhuǎn)換器要簡(jiǎn)單得多。你可以把單級(jí)設(shè)計(jì)方案看作是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的線性紋波抑制電路,就如圖3所示

反激LED驅(qū)動(dòng)就真的穩(wěn)定嗎?為什么PFC調(diào)節(jié)效果好?
圖3:紋波抑制器框圖

這種修改的單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用了一種特別設(shè)計(jì)的線性整流器,可以極大地削弱單級(jí)PFC恒流電路的電流紋波,由此造成的效率損失僅有2-3%。這種實(shí)現(xiàn)方式還會(huì)帶來(lái)額外的好處。一般情況下,在驅(qū)動(dòng)電路之后增加一個(gè)開關(guān)式DC/DC次級(jí)電路,會(huì)影響EMC性能,但是這種線性整流器卻不會(huì)帶來(lái)這個(gè)問(wèn)題。更好的EMC性能意味著SSL廠商可以將這種紋波抑制器靈活應(yīng)用于各種現(xiàn)成的LED驅(qū)動(dòng)電路之上。為了得到更佳的光照輸出而在輸出端增加這個(gè)電路,其成本效益比購(gòu)買一個(gè)新的驅(qū)動(dòng)器或者開關(guān)式DC/DC轉(zhuǎn)換器要高的多。
這個(gè)紋波抑制電路與單級(jí)PFC的輸出串聯(lián)起來(lái)使用,其基本組成是這類似于直流工作模式下的測(cè)試。因?yàn)檎伎毡确浅P?,由結(jié)溫的升高所引起的光學(xué)測(cè)試的結(jié)果誤差可以被忽略。LM-85推薦的占空比為1%或者更小。對(duì)于連續(xù)脈沖測(cè)試方法,LM-85中推薦的測(cè)試規(guī)程包括以下幾步:

·使LED的溫度穩(wěn)定在所要求的結(jié)溫上。
·對(duì)LED加載持續(xù)電流脈沖并等待穩(wěn)定,如100毫秒。
·在一段持續(xù)的積分時(shí)間里進(jìn)行光學(xué)和電學(xué)特性測(cè)試,或者在穩(wěn)定條件讀取時(shí)間平均信號(hào)。

LM-85指出,首先,積分時(shí)間應(yīng)該是一個(gè)整數(shù),即為所用的脈沖時(shí)間的整數(shù)倍,以避免因積分時(shí)間引起誤差。其次,標(biāo)準(zhǔn)的操作還要求將所測(cè)得的光度或者輻射度的值除以所用的電流的占空比對(duì)應(yīng)時(shí)間。

對(duì)于兩種脈沖工作模式,在高結(jié)溫條件下的LED的光輸出則都可以采用熱腔或者可控散熱片來(lái)進(jìn)行測(cè)量。無(wú)論采用哪種模式,在高溫和溫度穩(wěn)定條件下的LED的測(cè)試都要遵循相應(yīng)的測(cè)試規(guī)程。如果脈沖模式可能會(huì)引起LED的結(jié)溫的升高,或者引起光輸出的減小,那么,對(duì)于一個(gè)具有高熱阻的LED的封裝,則需要一個(gè)修正因子對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正。LM-85列出了一些LED的熱模型案例,對(duì)應(yīng)這些熱模型,適當(dāng)?shù)男U蛩乜梢杂脕?lái)計(jì)算LED的熱效應(yīng)。

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