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凯时娱乐kb88LED照明的电源拓扑结构

2018-09-06 19:09

  LED照明的电源拓扑结构

  导言

  跟着LED的生产本钱下降,其运用益发遍及,所包含的运用规模从手持终端设备到车载,再到修建照明。LED的高可靠性(运用寿数超越50,000个小时)、较高的功率(>120流明/瓦)以及近乎瞬时的呼应才能使其成为极具吸引力的光源。与白炽灯泡200mS的呼应时刻比较,LED会在短短5ns呼应时刻内发光。因而,现在它们已在汽车行业的刹车灯中得到广泛选用。

  驱动LED

  驱动LED并非没有应战。可调的亮度需求用安稳电流来驱动LED,而且不管输入电压怎么都必须要坚持该电流的安稳。这与只是将白炽灯泡连接到电池来为其供电比较更具有应战性。

  LED具有类似于二极管的正向V-I特性。在低于LED敞开阈值(白光LED的敞开电压阈值大约为3.5V)时,通经该LED的电流十分小。在高于该阈值时,电流会以正向电压办法成指数倍递加。这就答应将LED定型为带有一个串联电阻的电压源,其间带有一则警示阐明:本模型仅在单一的作业DC电流下才有用。假如LED中的DC电流发作改动,那么该模型的电阻也应随即改动,以反映新的作业电流。在大的正向电流下,LED中的功率耗散会使设备发热,此举将改动正向压降和动态阻抗。在断定LED阻抗时充分考虑散热环境是十分重要的。

  当经过降压稳压器驱动LED时,LED常常会依据所选的输出滤波器摆放来传导电感的AC纹波电流和DC电流。这不只会进步LED中电流的RMS振幅,而且还会增大其功耗。这样就可进步结温并对LED的运用寿数发作重要影响。假如咱们设定一个70%的光输出约束作为LED的运用寿数,那么LED的寿数就会从74摄氏度度下的15,000小时延长到63摄氏度度下的40,000小时。LED的功率损耗由LED电阻乘以RMS电流的平方再加上均匀电流乘以正向压降来断定。因为结温可经过均匀功耗来断定,因而即便是较大的纹波电流对功耗发作的影响也不大。例如,在降压转换器中,等于DC输出电流(Ipk-pk=Iout)的峰至峰纹波电流会添加不超越10%的总功率损耗。假如远远超越上面的损耗水平,那么就需求下降来自电源的AC纹波电流以便使结温文作业寿数坚持不变。一条十分有用的经历法则是结温每下降10摄氏度,半导体寿数就会进步两倍。实际上,因为电感器的按捺作用,因而大多数规划就趋向于更低的纹波电流。此外,LED中的峰值电流不该超越厂商所规则的最大安全作业电流额定值。

  拓扑挑选

  表1中所闪现的信息有助于为LED驱动器挑选最佳的开关拓扑。除这些拓扑之外,您还可运用简易的限流电阻器或线性稳压器来驱动LED,可是此类办法一般会糟蹋过多功率。一切相关的规划参数包含输入电压规模、驱动的LED数量、LED电流、阻隔、EMI按捺以及功率。大多数的LED驱动电路都归于下列拓扑类型:降压型、升压型、降压-升压型、SEPIC和反激式拓扑。

  表1备选的LED电源拓扑

  
图1闪现了三种根本的电源拓扑示例。第一个示意图所闪现的降压稳压器适用于输出电压总小于输入电压的景象。在图1中,降压稳压器会经过改动MOSFET的敞开时刻来操控电流进入LED。电流感应可经过丈量电阻器两头的电压取得,其间该电阻器应与LED串联。对该办法来说,重要的规划难题是怎么驱动MOSFET。从性价比的视点来说,引荐运用需求起浮栅极驱动的N通道场效应晶体管(FET)。这需求一个驱动变压器或起浮驱动电路(其可用于保持内部电压高于输入电压)。

  图1还闪现了备选的降压稳压器(buck#2)。在此电路中,MOSFET对接地进行驱动,然后大大下降了驱动电路要求。该电路可挑选经过监测FET电流或与LED串联的电流感应电阻来感应LED电流。后者需求一个电平移位电路来取得电源接地的信息,但这会使简略的规划杂乱化。别的,图1中还闪现了一个升压转换器,该转换器可在输出电压总是大于输入电压时运用。因为MOSFET对接地进行驱动而且电流感应电阻也选用接地参阅,因而此类拓扑规划起来就很简略。该电路的一个不足之处是在短路期间,经过电感器的电流会毫无约束。您能够经过保险丝或电子断路器的办法来添加毛病维护。此外,某些更为杂乱的拓扑也可供给此类维护。

  


图1简略的降压和升压型拓扑为LED供电

  图2闪现了两款降压-升压型电路,该电路可在输入电压和输出电压比较时高时低时运用。两者具有相同的折衷特性(其间折衷可在有关电流感应电阻和栅极驱动方位的两个降压型拓扑中闪现)。图2中的降压-升压型拓扑闪现了一个接地参阅的栅极驱动。它需求一个电平移位的电流感应信号,可是该反向降压-升压型电路具有一个接地参阅的电流感应和电平移位的栅极驱动。假如操控IC与负输出有关,而且电流感应电阻和LED可交换,那么该反向降压-升压型电路就能以十分有用的办法进行装备。恰当的操控IC,就能直接丈量输出电流,而且MOSFET也可被直接驱动。

  图2降压-升压型拓扑可调理大于或小于Vout的输入电压

  该降压-升压办法的一个缺陷是电流适当高。例如,当输入和输出电压相一起,电感和电源开关电流则为输出电流的两倍。这会对功率和功耗发作负面的影响。在许多情况下,图3中的降压或升压型拓扑将平缓这些问题。在该电路中,降压功率级之后是一个升压。假如输入电压高于输出电压,则在升压级刚好通电时,降压级会进行电压调理。假如输入电压小于输出电压,则升压级会进行调理而降压级则通电。一般要为升压和降压操作预留一些堆叠,因而从一个模型转到另一模型时就不存在静带。

  当输入和输出电压简直持平时,该电路的优点是开关和电感器电流也近乎等同于输出电流。电感纹波电流也趋向于变小。即便该电路中有四个电源开关,一般功率也会得到明显的进步,在电池运用中这一点至关重要。图3中还闪现了SEPIC拓扑,此类拓扑要求较少的FET,但需求更多的无源组件。其优点是简略的接地参阅FET驱动器和操控电路。此外,可将双电感组合到单一的耦合电感中,然后节约空间和本钱。可是像降压-升压拓扑相同,它具有比降压或升压和脉动输出电流更高的开关电流,这就要求电容器可经过更大的RMS电流。

  
图3降压或升压型以及SEPIC拓扑供给了更高的功率

  出于安全考虑,凯时娱乐kb88,可能规则在离线电压和输出电压之间运用阻隔。在此运用中,最具性价比的解决方案是反激式转换器(请参见图4)。尊龙d88!它要求一切阻隔拓扑的组件数最少。变压器匝比可规划为降压、升压或降压-升压输出电压,这样就供给了极大的规划灵活性。但其缺陷是电源变压器一般为定制组件。此外,在FET以及输入和输出电容器中存在很高的组件应力。在安稳照明运用中,可经过运用一个慢速反应操控环路(可调理与输入电压同相的LED电流)来完成功率因数校对(PFC)功用。经过调理所需的均匀LED电流以及与输入电压同相的输入电流,即可取得较高的功率因数。

  
图4反激式转换器可供给阻隔和功率因数校对功用

  调光技能

  需求对LED进行调光是一件很往常的事。例如,可能需求调理闪现屏或调理修建灯的亮度。完成此操作的办法有两种:即下降LED电流或快速翻开LED再封闭,然后使眼睛终究得到平衡。因为光输出并非彻底与电流呈线性联系,因而下降电流的办法功率最低。此外,LED色谱一般会在电流低于额定值时发作改动。请记住:人对亮度的感知成指数倍增,因而调光就需求电流呈现更大的百分比变化。因为在全电流下,3%的调理差错因为电路容差原因可在10%的负载下放大成30%乃至更大的差错,因而这会对电路规划发作严重的影响。虽然存在呼应速度问题,但经过脉宽调制(PWM)来调理电流仍更为准确。当照明和闪现时,需求100Hz以上的PWM才能使人眼不会察觉到闪耀。10%的脉冲宽度处于毫秒规模内,而且要求电源具有高于10kHz以上的带宽。

  定论

  如表2所示,在许多运用中运用LED正变得日益遍及。它将会选用各种电源拓扑来为这些运用供给支撑。一般,输入电压、输出电压和阻隔需求将规则正确的挑选。在输入电压与输出电压比较总是时高时低时,选用降压或升压可能是清楚明了的挑选。可是,当输入和输出电压的联系并非如此受按捺时,该挑选就变的愈加困难,需求权衡许多要素,其间包含功率、本钱和可靠性。

  表2许多LED运用都规则了多种电源拓扑

  

   LED照明电源拓扑