LED照明设计方案基本知识-安森美培训课件

发光二极管(LED)继在中小型规格显示屏的便携式商品led背光等运用获很多选用后，伴随着它发亮特性的进一步提高及费用的提升，近些年已迈进通用照明行业，如房屋建筑照明灯具、街道社区照明灯具、景观亮化、标识标牌、信号指示灯、及其住房内的灯具等，运用可以说方兴未艾。

另一方面，LED照明设计方案也给包含我国技术工程师以内的工程项目社群营销产生了挑戰，这不仅仅由于LED照明的运用范畴十分普遍，运用的输出功率级别、能够采取的led驱动器类型及开关电源网络拓扑结构等，也不尽相同。技术工程师们急需解决系统化学习培训及掌握更多的相关LED照明设计方案的基本知识。有鉴于此，安森美半导体材料的设备运用主管Bernie Weir老先生最近专业编写有关培训课件，为技术工程师们教给有关的设计方案基本知识，內容涉及到LED驱动器的实用规定、开关电源网络拓扑结构、功率因素校准、开关电源变换能耗等级和控制器规范，及其稳定性和使用期限等其他难题，便捷她们能够更好地设计方案新手入门及提升，进而能够更好地服務于LED照明销售市场。仅限于篇数，文中是该培训课件的引言详细介绍。

一、LED驱动器通用性规定

推动LED遭遇着许多挑戰，如正方向工作电压会伴随着溫度、电流量的变动而转变 ，而不一样个人、不一样批号、不一样经销商的LED正方向工作电压也会出现差别；此外，LED的“色点”也会伴随着电流量及气温的变动而飘移。

此外，运用中一般会应用多个LED，这就牵涉到多个LED的排布方法难题。各种各样排序方法中，优选 推动串连的单串LED，由于这类方法无论正方向工作电压怎么转变 、输出电压(Vout)怎样“飘移”，均给予绝佳的电流量配对特性。自然，客户还可以选用串联、串连-串联组成及交叉式联接等其他排序方法，用以必须 “互相搭配的”LED正方向电流的运用，并得到其他优点。如在交叉式联接中，假如在其中某一LED因常见故障引路，电源电路中仅有一个LED的工作电压会翻倍，进而尽量避免对所有线路的危害。

图1：普遍的LED排序方法

LED的排布方法及LED光源的标准决策着基本上的控制器规定。LED驱动器的关键作用便是在一定的作业标准范畴下限定穿过LED的电流量，而不管键入及输出电压怎样转变 。LED驱动器基本上的工作中电源电路平面图如图2所显示，在其中所说的“防护”表明沟通交流路线工作电压与LED(即键入与輸出)中间并没有物理学上的保护接地，最常见的是选用变电器来电气隔离，而“非防护”则沒有选用变压器线圈来电气隔离。

图2：LED驱动器的基本上工作中电源电路平面图。

值得一提的是，在LED照明设计方案中，AC-DC电源变换与恒流电源推动这两一部分电源电路能够采取不一样配备：1)一体式(integral)配备，即二者结合在一起，均坐落于照明设备内，这类配制的优越性包含提升能耗等级及简单化安裝等；2)分布式系统(distributed)配备，即二者独立存有，这类配备简单化安全性考虑到，并提升协调能力。

LED驱动器依据不一样的使用规定，能够选用稳定工作电压(CV)輸出工作中，即輸出为一定电流量范畴下钳位的工作电压；还可以选用恒定电流(CC)輸出工作中，輸出的设计方案能严苛限制电流量；也有可能会选用恒流电源恒流源(CCCV)輸出工作中，即给予稳定功率，故做为负荷的LED的顺向工作电压明确其电流量。

总的来看，LED照明设计方案必须考虑到下面几层面的要素：

功率：涉及到LED正方向工作电压范畴、电流量及LED排序方法等

开关电源：AC-DC电源、DC-DC电源、立即选用AC开关电源推动

作用规定：变光规定、变光方法(仿真模拟、数据或多级别)、照明灯具操纵

别的规定：能耗等级、功率因素、规格、成本费、常见故障解决(维护特点)、要遵照的规范及安全性等

大量考虑到要素：套筒连接、安裝、检修/更换、使用寿命周期时间、货运物流等

二、LED驱动开关电源的网络拓扑结构

选用AC-DC电源的LED照明运用中，开关电源变换的建立控制模块包含二极管、电源开关(FET)、电感器及电容器及电阻器等分立元件用以实行分别作用，而脉冲宽度调制(PWM)稳压电源用以操纵开关电源变换。电源电路中一般添加了电力变压器的防护型AC-DC电源变换包括反激、正激及半桥等网络拓扑结构，参照图3，在其中反激网络拓扑结构是输出功率低于30 W的中等输出功率运用的规范挑选，而半桥构造则最适用于给予高些能耗等级/功率。就防护构造中的变电器来讲，其规格的尺寸与电源开关頻率相关，且大部分防护型LED驱动器大部分选用“电子器件”变电器。

图3：普遍的防护型网络拓扑结构。

选用DC-DC电源的LED照明运用中，能够采取的LED驱动方法有电阻器型、线形稳压电源及电源开关稳压电源等，基本上的运用平面图参照图4。电阻器型推动方法中，调节与LED串连的工作电流检验电阻器就可以操纵LED的正面电流量，这类推动方法便于设计方案、低成本，且沒有电磁兼容测试(EMC)难题，缺点是取决于工作电压、必须 挑选(binning) LED，且能耗等级较低。线形稳压电源一样便于设计方案且沒有EMC难题，还适用电流量减压稳压阀及过电流保护(fold back)，且给予外界电流量设置点，不够取决于输出功率损耗难题，及键入工作电压要一直高过正方向工作电压，且能耗等级不高。电源开关稳压电源根据PWM模块持续自动开关(FET)的开和关，从而操纵交流电的流动性。

图4：普遍的DC-DC LED驱动方法。

电源开关稳压电源具备更好的能耗等级，与工作电压不相干，且能操纵色度，不够则是费用相比较高，复杂性也高些，且存有干扰信号(EMI)难题。LED DC-DC电源开关稳压电源普遍的网络拓扑结构包含降血压(Buck)、变压(Boost)、降血压-变压(Buck-Boost)或单端初中级电感器转化器(SEPIC)等不一样种类。在其中，全部运行情况下最少键入工作电压都超过LED串较大工作电压时选用降血压构造，如选用24 Vdc推动6颗串连的LED；与之反过来，全部运行情况下较大键入工作电压都低于最少输出电压时选用变压构造，如选用12 Vdc推动6颗串连的LED；而键入电流与输出电压范畴有交迭时还可以选用降血压-变压或SEPIC构造，如选用12 Vdc或12 Vac推动4颗串连的LED，但这类构造的费用及能耗等级最不理想化。

选用交流电立即推动LED的方法近些年也得到了一定的发展趋势，其运用平面图参照图5。这类构造中，LED串以反过来方位排序，工作中在半周期时间，且LED在路线工作电压超过正方向工作电压时才通断。这类构造具备其优点，如防止AC-DC变换所产生的电功率耗损等。可是，这类构造中LED在低頻电源开关，故友眼很有可能会发觉闪动状况。除此之外，在这些设计方案中还必须添加LED保障措施，使其免遭路线浪涌保护器或暂态的危害。

图5：立即选用沟通交流推动LED的平面图。

三、功率因素校准

美国能源部(DOE)“能源之星”(ENERGYSTAR™)固体照明灯具(SSL)标准中要求一切输出功率级别皆须强制性给予功率因素校准(PFC)。这规范适用一系列特殊商品，如嵌灯、橱柜灯及小台灯，在其中，住房运用的LED驱动器功率因素须超过0.7，而商业服务运用中则须超过0.9；可是，这规范归属于非强制性规范。欧盟国家的IEC61000-3-2谐波电流成分规范中则要求了输出功率超过25 W的灯光使用的总谐波电流特性，其较大限定等同于总谐波电流(THD)< 35%，而功率因素(PF)>0.94。尽管并不是所有国家都肯定强制性规定照明灯具运用中改进功率因素，但一些运用将会有这些方面的规定，如公共事业组织全力促进有着高功率因素的商品在公共设施中的行业运用，除此之外，公共事业组织购买/维护保养路灯时，还可以依据它们的想法来确定是不是规定有着高功率因素(一般 >0.95 )。

图6：数字功放PFC的使用电源电路平面图

PFC技术性包含微波感应器PFC及数字功放PFC二种。微波感应器PFC计划方案的体型很大，必须 提升另外的元器件来能够更好地更改电流量波型，可以做到约0.8或更多的功率因素。在其中，在低于5 W至40 W的较低输出功率运用中，基本上是规范挑选的反激式网络拓扑结构只必须选用无源元件及稍加电源电路修改，就可以完成高过0.7的功率因素。数字功放PFC(见图6)一般 是做为一个专业的开关电源变换段提升到电源电路中更改键入电流量波型。数字功放PFC一般 给予变压，沟通交流100至277 Vac的宽键入范畴下，PFC输出电压范畴达直流电450至480 Vdc。假如适当地设计方案PFC段，能够 给予91%到95%的高能耗等级。但提升了数字功放PFC，依然必须 专业的DC-DC变换来给予电流量减压稳压阀。

四、能耗等级难题

LED照明运用的能耗等级必须 融合输出功率輸出来考虑到。英国“能源之星”固体照明灯具标准要求了照明灯具器材级的能耗等级，但并不涉及到独立LED驱动器的能耗规定。如前所述，选用AC-DC电源的LED运用能够选用二段式遍布网络拓扑结构，故很有可能选用外界AC-DC电源适配器供电系统。而“能源之星”确实包括相关单輸出外界开关电源的标准，其2.0版外界开关电源标准于2008年11月逐渐起效，规定规范工作模式下最少能耗等级达87%，而低电压工作模式下最少能耗等级达86%；在这里标准中，输出功率超过100 W时才规定PFC。

图7：美国能源部2008年秋天明确提出的LED照明照明灯具能耗等级产品研发总体目标。

而在选用AC-DC电源的LED运用中，要给予更好的AC-DC变换能耗等级，就牵涉到成本费、规格、特性标准及能耗等要素两者之间的折中难题。比如，若应用更高品质的元器件、更低通断特性阻抗(RDSon)，就可减少耗损及改进能耗等级；减少电源开关頻率一般会改进能耗等级，但却会提高系统软件规格。例如串联谐振那样新的网络拓扑结构给予高些能耗等级，却也提升设计方案及部件的复杂性。如果我们将设计方案限制在窄小的输出功率及工作电压范畴，则能够协助提升能耗等级。

五、控制器规范

LED驱动器自身也在持续演变，侧重于进一步提高能耗等级、提升作用及功率。英国“能源之星”的固体照明灯具标准明确提出的是照明灯具器材级的能耗等级限定，涉及到包含功率因素以内的特殊商品规定。而欧盟国家的IEC 61347-2-13 (5/2006)规范对于选用交流电或沟通交流供电系统的LED控制模块的需求包含：

较大安全性特低压(SELV)工作中输出电压≤25 Vrms (35.3 Vdc)

不一样常见故障情况下“适当”/安全性的工作中

常见故障时不起烟或易燃性

除此之外，ANSI C82.xxx LED驱动器标准仍在制订当中。而在安全层面，必须 遵循UL、CSA等规范，如UL1310 (Class 2)、UL 60950、UL1012。

除此之外，LED照明设计方案还牵涉到商品使用寿命周期时间及稳定性难题。

汇总：

文中介绍了安森美半导体材料商品运用权威专家Bernie Weir老先生的一些主要的LED照明设计方案基本知识，如控制器的实用规定、控制器开关电源的网络拓扑结构、功率因素校准、开关电源变换能耗等级及控制器必须 遵循的规范等难题，协助技术工程师能够更好地从业LED照明设计方案。安森美半导体材料作为全世界技术领先的性能卓越、高能耗等级硅解决方法经销商，对于不一样LED照明运用，无论其选用哪种开关电源供电系统，均给予运用需要的性能卓越开关电源变换、功率因素校准及推动解决方法，加上高品质的服务项目及援助，协助用户在行业竞争中占有主动权。

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