& 利用数字电源技术设计LED灯具的解决方案
利用数字电源技术设计LED灯具的解决方案
完美的用户调光体验 用户已经习惯于白炽灯的调光，因此往往期待LED的调光性能接近甚至超过以往的体验。因此调光性能对于广大用户接受LED灯非常重要。调光性能的好坏完全取决于驱动电源的控制。目前市场上的一些可调光的LED灯在很多方面无法满足用户的需要。比如说，如果多个LED灯连接在同一个调关器上，各个灯的亮度会有明显的差别，这是调光的一致性。还有，用户调光时，希望马上看到调光的效果，但是又不希望看到突然的亮度跳跃甚至熄灭，这是调光的动态响应。一些LED 灯的光照度随着输入电压而变化，在一些电网电压波动比较大的地区就会影响用户的使用。更重要的是，如果LED灯不能稳定照明而是不停的闪烁，用户是无法接受的。
很多LED灯利用平均输入电压或者近似均方根输入电压来控制输出电流。如果每个LED灯对输入电压的检测和判断有差别，就会造成输出光照的不一致。如果输入电压降低，检测的平均电压会降低，LED灯输出光照就会减小。而利用数字技术则可以实现对输入信号相位的的检测。由于相位是一个时间量，输入电压的变化对相位的影响有限。因此，如果结合输入电压和相位的检测，可以实现稳定并且一致的输出光照。数字算法还可以检测用户调光的速度来预测可能的调光的位置，使得输出电流快速的跟随用户的指令来变化。这样平衡了调光的动态响应和准确性，防止了调光过慢或者光照的过调。使得用户调光的体验接近传统的白炽灯。
调光安全性 当用户购买LED灯以后，生产厂商无法完全了解其使用环境。交流输入的频率可以是50Hz或者60Hz；调关器可以是支持的或者是不支持的；电网电压会产生波动，也会产生畸变；等等。诸多因素会影响LED灯的亮度变化甚至安全性。驱动电路的设计必须考虑这些可能发生的环境变化，具备相应的对策。当前的数字控制技术实现了：
自动调光模式识别。控制器可以自动识别前切相式调光器和后切相式调关器，甚至在运行过程中允许前后切调光器的转换。
自动检测不支持的调光器。如果某一种调光器是所生产的LED 灯不能支持的，数字技术可以根据其输出波形，迫使LED 灯进入保护模式，保障了用户的使用安全。
自动防止多次快速启动。由于LED 灯要求启动快，当LED 灯发生故障，或者输入电压畸变严重时，驱动电源有可能反复地重启动，造成驱动电路的过热。数字控制可以很方便的判断路障的存在，防止频繁的重复启动。&&&&&[4]&&&&&
来源:电源网
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新型100W LED路灯驱动电路的设计
【摘要】：从上个世纪末开始,全球能源危机的出现迫使人们开始有节能意识。作为电力使用大户的照明用电也在做不断的改进,从最开始的白炽灯到现在的荧光灯、气体放电灯和LED灯。作为最新的照明产品,LED以其节能环保的优点迅速崛起。LED的伏安特性决定了为LED供电的驱动器不能是传统的稳压电源,需要驱动器恒流输出并且有限压功能。驱动器性能的好坏直接关系到LED的寿命等一系列技术参数。
论文分析了LED的特性,深入研究了功率因数校正电路、反激准谐振电路、恒流电路和电路的电磁干扰问题,在理论分析的基础上做出一个100W的LED路灯驱动器。本设计选取了两级模式电路结构,前级采用临界模式升压拓扑功率因数校正电路,后级为反激准谐振电路拓扑结构,恒流控制部分采用双运放反馈。论文开始介绍了LED产业的背景,LED的发展历史、发光原理、光电等一系列特性,根据LED的特点分析了所需要LED驱动器的特性。第二章从功率因数校正电路的原理说起,介绍了引入功率因数校正电路的原因,功率因数和谐波的概念并分析了两者的关系。深入分析了无源功率因数校正电路以及常用的电路结构形式和各自存在的优缺点,有源公因数校正电路及其工作模式,论述分析了各种工作模式的优缺点,以FAN7930为例演示了临界模式功率因数校正电路的设计方法和设计过程中的注意事项。第三章从软开关技术开始,介绍了软开关技术在反激电路中的应用——反激准谐振电路。深入分析了电路结构和工作原理,并与传统的反激电路进行了对比分析,详细论述了钳位吸收电路的几种形式。最后以TEA1552为例介绍了反激准谐振电路的设计方法和设计过程中的注意事项。第四章介绍了恒流控制的几种方法,从稳压源串联电阻和阻容降压给LED供电说起,论述了TL431恒流、原边反馈、双运放和Buck恒流控制的原理、各自的优缺点以及适用场合,最后给出了用双运放做恒流反馈电路的设计过程和注意事项。第五章论述了电路的整体设计过程中所涉及到的效率、电磁干扰和可靠性问题,从理论与实际两个方面对其做了深入分析。
论文设计了一款100W路灯LED驱动器,对电路主要波形和EMC进行了测试。驱动器输出特性稳定,驱动器整体效率为88%,功率因数大于0.98,电流总谐波为11%,EMC测试完全符合国家电磁兼容标准。
【关键词】：
【学位授予单位】：杭州电子科技大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2011【分类号】：TM923.34【目录】：
摘要5-6ABSTRACT6-10第1章 绪论10-21 1.1 课题研究的背景和意义10-11 1.2 LED介绍11-14
1.2.1 LED的产生与发展11-12
1.2.2 PN结的原理12-13
1.2.3 LED的发光机理13
1.2.4 白光LED的发光机理13-14 1.3 LED驱动器14-18
1.3.1 LED的特性14-17
1.3.2 LED驱动器的特点17-18
1.3.3 LED驱动电路的选择18 1.4 国内外研究现状18-19 1.5 论文的主要研究内容19-21第2章 有源功率因数校正电路21-36 2.1 功率因数校正原理21-22 2.2 功率因数校正的方法22-23 2.3 无源功率因数校正技术23-24 2.4 有源功率因数校正技术24-29
2.4.1 断续模式功率因数校正技术24-26
2.4.2 临界模式功率因数校正技术26
2.4.3 连续模式功率因数校正技术26-29 2.5 基于FAN7930的临界模式功率因数校正电路的设计29-36
2.5.1 FAN7930芯片内部结构和工作原理29-30
2.5.2 电路实现30-36第3章 反激准谐振电路36-51 3.1 软开关技术36-37 3.2 准谐振电路原理37-39 3.3 反激准谐振电路与传统反激电路比较39-40 3.4 反激电路钳位吸收网络40-43
3.4.1 钳位吸收网络介绍40-41
3.4.2 RCD和2RCD钳位吸收网络的设计41-43 3.5 基于TEA1552的反激准谐振电路的设计43-51
3.5.1 TEA1552芯片内部结构和工作原理43-47
3.5.2 电路实现47-51第4章 恒流电路51-58 4.1 应用TL431的恒流电路51-53 4.2 原边反馈恒流控制53-54 4.3 应用双运放的恒流电路54-55 4.4 Buck恒流电路55-56 4.5 恒流电路设计56-58第5章 驱动器设计的整体考虑58-67 5.1 驱动器的效率问题58-59 5.2 驱动器的电磁干扰问题59-65 5.3 驱动器的可靠性问题65-67第6章 实验数据与结果67-78 6.1 前级APFC数据和波形分析68-70 6.2 后级反激准谐振电路波形分析70 6.3 驱动器输出特性分析70-71 6.4 电磁干扰相关分析71-76 6.5 其它实验数据整理76-78第7章 总结与展望78-80 7.1 总结78 7.2 展望78-80致谢80-81参考文献81-86附录186-87附录287
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蜡烛灯的替换
发布时间： 09:10:49
来源：互联网
蜡烛灯的替换
两款紧凑、高效率的LED替换灯泡参考设计
LED灯作为标准白炽灯的插入式替换灯，如今已成为零售商店中的主要展列的产品。在标准型灯泡的颈部装入LED所需的保护芯片和恒流驱动电子元件是一项见缝插针式的工作 & 对于使用T8灯管或紧凑的螺口灯座的照明灯来说尤具挑战性。在此类应用中，能容纳驱动电子元件的空间极其狭小，这对可使用的元件的尺寸和数量都构成了限制。空间不足还加剧了热管理问题，更糟糕的是，LED负载的位置通常与电源非常近。为避免过热和随之造成的失效，LED驱动器必须以尽可能高的效率进行工作。
能效法规日益严格
除了提供稳定的恒流输出外，LED驱动器（电源）还必须满足日益严格的能效法规要求，包括功率因数和电源所吸收电流的谐波失真(1)。许多LED驱动器解决方案都采用两级设计方法，也即在一个升压PFC级后跟一个恒流驱动器（通常为反激式转换器）。升压PFC级通常可实现最大约95%的效率，恒流驱动器通常可实现约90%的效率，从而使整体效率达到85%。
这种方法需要用到一个电感、两个功率开关和两个控制器，因此有许多元件要装入狭小的灯壳内。PFC级和反激式转换器都执行类似的功能 & 分别导通和关断电流、控制输入电流波形和输出电流波形。如果可以将两个开关活动合并到一个单级，则只需要一个驱动电路和一个开关级即可，从而减少大量元件并大幅提高效率。
图1.& 使用集成式PFC和CC转换器的单级LED驱动器
图2所示为单级、集成式PFC和恒流驱动器的电路图，它采用了Power Integrations Inc的一款LinkSwitch&-PH IC(2)。该单片器件同时集成了一个725 V功率MOSFET、集成控制及保护电路。
图2.& 使用LinkSwitch-PH设计的单级、集成式PFC和CC转换器
控制PFC和恒流
控制器将一项专有的功率因数校正技术与一个初级侧控制连续导通模式PWM开关功率级相结合。通过将这种控制方法、单片功率MOSFET和相关的驱动电路集成到一个集成电路中，可大幅减少LED驱动器的元件数。
使用LinkSwitch-PH和图2所示的电路，可以在要求比等效的两级方法使用少得多的元件数的电路中，使15 W LED驱动器（相当于60 W白炽灯泡）的转换效率达到90%以上。由于输入电流的波形直接由功率开关控制，因此无需使用大容量输入电容。LED驱动器不采用大容量电解电容，而此电容在环境温度不断升高的LED灯中寿命很短，会为两级设计方案带来诸多问题。
成本最低的非隔离式解决方案
尽管隔离反激式转换器极其有效，但它们在效率、尺寸和成本方面存在一定的局限性。功率变压器中的开关损耗会降低整体效率，而在8 W转换器中，电气隔离间隙空间最高可占电路板总可用面积的15%。磁芯的成本也比较高，因为变压器必须满足高压隔离要求和采用更昂贵的结构。
一种更简单且成本可能更低的设计方法（功率水平至少高达30 W）是采用非隔离式电源，将灯泡外壳用作安全隔离。这样可以使用简单的降压/降压-升压式转换器，而这种转换器效率更高（无变压器损耗）且使用成本更低的磁芯（电感器）。此时，仍可以采用单级、集成式PFC和CC转换方法，使用Power Integrations的LinkSwitch-PH系列器件（已作介绍）和LinkSwitchTM-PL系列器件来设计此转换器。这些器件可配置为效率非常高的低压输出降压式转换器，提供高PF和低THD，并从高度集成和简单的降压式结构中轻松实现成本和能源节省。这种设计方法对于许多设计都非常有效，尤其是高输入电压应用（176 VAC至264 VAC）。
高效率是通过使用尽可能高的LED灯串电压来获得的，但是特别在低输入电压（90 VAC至132 VAC）应用中，这种方法对于降压式转换器有一定的局限性。如果输出灯串电压过高，降压式转换器就无法提供THD足够低以满足EN (C/D)标准或达到典型ATHD限值为20%的解决方案。低THD是通过产生与电压波形的正弦波非常吻合的电流波形来实现的。当输入电压（整流正弦波）超出输出级的电压时，降压式转换器只能将电流通过输出级。因此，对于每个AC输入半周期的一部分来说，当电压从零值升高时（以及当电压接近零时），不会进行功率因数校正且THD将会降低。对于高输出电压（在低输入电压应用中可能超过35 VDC）,由于导通角非常小，转换器无法再产生可满足ENC/D谐波电流限值的电流波形。
对于高效率应用中的许多非隔离式LED驱动器来说，可采用降压式转换器方法。降压-升压式转换器的一项固有优势是，它可以连续从AC输入吸收功率，而不考虑输出电压水平的高低，这样可使输入电流达到近似正弦波的状态。我们用两个设计范例来说明这种方法的功效和优势所在。第一个设计是可装入T8灯管的长灯串LED驱动器。它的电路能够为100 V LED灯串提供驱动，同时其效率超过91%、功率因数大于0.9且THD超过25%。第二个设计使用最少量的元件，可装入小型的B10灯壳。
图 3.& 使用LNK409EG设计的25 W降压-升压式LED驱动器电路图
图3是一个采用降压-升压拓扑结构的完整版非隔离式25 W功率因数校正LED驱动器电路 (3)。它采用180-265 VAC的输入电压，以100 V额定输出电压提供250 mA的恒流驱动。
它的物理设计非常出色，如图4和图5所示。电路板仅有19.5 mm宽、10 mm高。
图4.& 装配后的电路板
图5.& 安装到T8灯管内的LED驱动器
降压-升压电源电路由U1、输出二极管D6、输出电容C5和C7以及输出电感T1和T2构成。由于灯管内空间受限，因而使用了两个电感。T1和T2一起提供所要求的降压-升压电感，T1中的偏置绕组可向U1提供电源电流，并为断接负载/过压关断功能提供反馈。
无电流检测
LinkSwitch-PH可提供高精度输出恒流控制，无需使用一个与负载串联的电流检测电阻。R7-R10、Q1、C6和D5形成一个电压-电流转换器网络，为反馈(FB)引脚提供与输出电压成比例的控制电流。二极管D1和C3检测峰值AC线电压。C3以及R3和R4上的电压可设置馈入电压监测(V)引脚的输入电流。U1使用该电流来控制输入欠压(UV)、过压(OV)和前馈电流。
LinkSwitch-PH中的内部引擎综合反馈引脚电流、电压监测引脚电流及漏极电流信息，在1.5:1的输出电压变化范围内（LED灯串电压变化为&25%）以固定输入线电压提供恒定输出电流。恒流控制引擎可以补偿电感容差以及输入和输出变化。
低EMI特征是LinkSwitch-PH的连续导通模式PFC功能与频率抖动共同作用的结果。这种EMI滤波比较简单，尺寸小得足以装入T8灯管的狭小空间。
第二个范例的设计目标是实现高效率和小尺寸，使驱动器能够装入蜡烛灯和B10型灯内。
图6.& 使用LNK458KG 设计的4.5 W降压-升压式电源
图6所示为使用Power Integrations的LinkSwitch-PL LNK458KG设计的4.5 W功率因数校正LED驱动器（非隔离式降压-升压拓扑结构）(4)。LinkSwitch-PL(5) IC与前面讲到的LinkSwitch-PH器件非常相似。它们都适用于较低功率的非隔离应用（最高功率为16 W），所采用的封装仅有四个连接。控制算法采用直接LED电流检测，可支持外围元件数最少的无闪烁可控硅调光。
图6所示的电路可以在85&135 VAC的输入电压范围内提供90 mA的恒流输出，输出电压介于42&56 V之间。尽管元件数非常少，但LED驱动器仍能在115 VAC输入下实现86%以上的效率，同时PF大于0.95、THD超过15%。
图7是装配后的电路板，仅有16 mm宽、28 mm长。
我们做出了许多重要的设计选择以便尽可能地减少元件数和提高效率。设计经过优化，可在低AC输入电压范围（85&135 VAC，47&63 Hz）内进行工作。在使用中，驱动器和LED负载被置于密闭的壳体内。非隔离式输出依靠壳体为用户提供保护，当LED输出发生开路故障时，驱动器将关断以防止出现过压。
在电路的输出端，EMI滤波由2-&滤波器网络（由电容C1、C2、C3以及差模扼流圈L1和L2构成）来执行。输入滤波器与LinkSwitch-PL的频率抖动功能相结合，可使设计满足Class B干扰限值。限定的总电容可维持高功率因数。
降压-升压功率转换电路由U1（功率开关 + 控制）、D2（续流二极管）、C7（输出电容）以及L3（电感）构成。二极管D1用来防止U1的漏-源极出现负电压，特别是在输入电压在接近过零点时。旁路电容C4在功率MOSFET导通时为器件提供内部电源。输出电流反馈通过R3上的压降来检测，然后由低通滤波器（R4和C5）进行滤波，以维持LinkSwitch-PL的工作点，从而使反馈(FB)引脚在稳态工作时的平均电压达到290 mV。
只需通过调整R3和R5的值即可设置输出电流工作点。将R3更改为12.7 &O并将R5更改为13 &O后，电路将提供96 V 45 mA的额定输出。
Class C harmonics
2.LNK403-409EG/413-419EG LinkSwitch-PH Family LED Driver IC, Single-Stage PFC, Primary-Side Constant Current Control and TRIAC Dimming/Non-Dimming Device Options
3.DER-278 No Electrolytic Capacitor, High Efficiency (&90%), High Power Factor (&0.9) 15 W LED Driver Using LinkSwitch-PH LNK407EG.
April 2011
4..DER-297 4.5 W Power Factor Corrected LED Driver (Non-Isolated Buck Boost) Using LinkSwitch-PL LNK458KG
October 2011
5.LNK454/456-458/460 LinkSwitch-PL Family. LED Driver IC with TRIAC Dimming, Single-Stage PFC and Constant Current Control for Non-Isolated Applications.& & November 2010
作者:Andrew Smith, PI高级产品经理
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备案号: 苏ICP备号-2