LED開關(guān)電源

LED 開關(guān)電源可分為:恒流型LED開關(guān)電源、恒壓型LED開關(guān)電源.其中這兩種又分為:隔離恒流型LED開關(guān)電源、非隔離恒流型LED開關(guān)電源、隔離恒壓型 LED開關(guān)電源、非隔離恒壓型LED開關(guān)電源 LED開關(guān)電源應用范圍:路燈用LED開關(guān)電源,庭院燈用LED開關(guān)電源,草坪燈LED開關(guān)電源,水底燈防水LED開關(guān)電源,廣告燈防水LED開關(guān)電源等,其中按外觀分類又有:LED防水電源,裸板LED開關(guān)電源,有殼但不防水LED開關(guān)電源,主要視LED開關(guān)電源使用環(huán)境選擇
LED開關(guān)電源設計參數(shù)分析

LED 開關(guān)穩(wěn)壓電源(以下簡稱LED開關(guān)電源)問世后,在很多領(lǐng)域逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和晶閘管相控電源.早期出現(xiàn)的是串聯(lián)型LED開關(guān)電源,其主電路拓撲與線性電源相仿,但功率晶體管工作于開關(guān)狀態(tài).隨著脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的發(fā)展,PWM-LED開關(guān)電源問世,它的特點是用20kHz的載波進行脈沖寬度調(diào)制,LED開關(guān)電源的效率可達65%~70%,而線性電源的效率只有30%~40%.因此,用工作頻率為20 kHz的PWM-LED開關(guān)電源替代線性電源,可大幅度節(jié)約能源,從而引起了人們的廣泛關(guān)注,在LED開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展史上被譽為20kHz革命.隨著超大規(guī)模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不斷減小,LED開關(guān)電源的尺寸與微處理器相比要大得多;而路燈LED開關(guān)電源、大功率LED開關(guān)電源、軍用LED開關(guān)電源以及用電池的便攜式電子設備(如手提計算機、移動電話等)更需要小型化、輕量化的 LED開關(guān)電源.因此,對LED開關(guān)電源提出了小型輕量要求,包括磁性元件和電容的體積重量也要小.此外,還要求LED開關(guān)電源效率要更高,性能更好,可靠性更高等.這一切高新要求便促進了LED開關(guān)電源的不斷發(fā)展和進步.

本文介紹在設計LED開關(guān)電源時應該注意參數(shù):

1:LED開關(guān)電源功率密度
提高開關(guān)電源的功率密度,使之小型化、輕量化,是人們不斷追求的目標.這對便攜式電子設備(如移動電話,數(shù)字相機等)尤為重要.使開關(guān)電源小型化的具體辦法有以下幾種.
一是高頻化.為了實現(xiàn)電源高功率密度,必須提高PWM變換器的工作頻率、從而減小電路中儲能元件的體積重量.
二是應用壓電變壓器.應用壓電變壓器可使高頻功率變換器實現(xiàn)輕、小、薄和高功率密度.壓電變壓器利用壓電陶瓷材料特有的“電壓-振動”變換和“振動-電壓”變換的性質(zhì)傳送能量,其等效電路如同一個串并聯(lián)諧振電路,是功率變換領(lǐng)域的研究熱點之一.
三是采用新型電容器.為了減小電力電子設備的體積和重量,須設法改進電容器的性能,提高能量密度,并研究開發(fā)適合于電力電子及電源系統(tǒng)用的新型電容器,要求電容量大、等效串聯(lián)電阻(ESR)小、體積小等.

2:LED開關(guān)電源中高頻磁性元件的選擇
LED開關(guān)電源系統(tǒng)中應用大量磁元件,高頻磁元件的材料、結(jié)構(gòu)和性能都不同于工頻磁元件,有許多問題需要研究.對高頻磁元件所用的磁性材料,要求其損耗小、散熱性能好、磁性能優(yōu)越.適用于兆赫級頻率的磁性材料為人們所關(guān)注,納米結(jié)晶軟磁材料也已開發(fā)應用.

3:LED開關(guān)電源中高頻化以后軟開關(guān)技術(shù)的應用
LED開關(guān)電源高頻化以后,為了提高LED開關(guān)電源的效率,必須開發(fā)和應用軟開關(guān)技術(shù).它是過去幾十年國際電源界的一個研究熱點.
PWM-LED開關(guān)電源按硬開關(guān)模式工作(開/關(guān)過程中電壓下降/上升和電流上升/下降波形有交疊),因而開關(guān)損耗大.高頻化雖可以縮小體積重量,但開關(guān)損耗卻更大了.為此,必須研究開關(guān)電壓/電流波形不交疊的技術(shù),即所謂零電壓開關(guān)(ZVS)/零電流開關(guān)(ZCS)技術(shù),或稱軟開關(guān)技術(shù),小功率軟LED 開關(guān)電源效率可提高到80%~85%.上世紀70年代諧振開關(guān)電源奠定了軟開關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ).隨后新的軟開關(guān)技術(shù)不斷涌現(xiàn),如準諧振(上世紀80年代中)全橋移相ZVS-PWM,恒頻ZVS-PWM/ZCS-PWM(上世紀80年代末)ZVS-PWM有源嵌位;ZVT-PWM/ZCT-PWM(上世紀90年代初)全橋移相ZV-ZCS-PWM(上世紀90年代中)等.我國已將最新軟開關(guān)技術(shù)應用于6kW通信電源中,效率達93%.

4:LED開關(guān)電源中使用同步整流技術(shù)
LED開關(guān)電源中使用同步整流技術(shù),相對于低電壓、大電流輸出的軟開關(guān)變換器,可進一步提高其效率的措施是設法降低開關(guān)的通態(tài)損耗.例如同步整流(SR) 技術(shù),即以功率MOS管反接作為整流用開關(guān)二極管,代替蕭特基二極管(SBD),可降低管壓降,從而提高LED開關(guān)電源電路效率.

5:LED開關(guān)電源中功率因數(shù)校正(PFC)變換器應用
LED開關(guān)電源中功率因數(shù)校正(PFC)變換器應用.由于AC/DC變換電路的輸入端有整流器件和濾波電容,在正弦電壓輸入時,單相整流電源供電的電子設備,電網(wǎng)側(cè)(交流輸入端)功率因數(shù)僅為0.6- 0.65.采用功率因數(shù)校正(PFC)變換器,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可提高到0.95~0.99,輸入電流THD<10%.既治理了對電網(wǎng)的諧波污染,又提高了電源的整體效率.這一技術(shù)稱為有源功率因數(shù)校正(APFC).

6:LED開關(guān)電源的全數(shù)字化控制
LED開關(guān)電源的控制已經(jīng)由模擬控制,模數(shù)混合控制,進入到全數(shù)字控制階段.全數(shù)字控制是發(fā)展趨勢,已經(jīng)在許多功率變換設備中得到應用.
全數(shù)字控制的優(yōu)點是數(shù)字信號與混合模數(shù)信號相比可以標定更小的量,芯片價格也更低廉;對電流檢測誤差可以進行精確的數(shù)字校正,電壓檢測也更精確;可以實現(xiàn)快速,靈活的控制設計.

7:LED開關(guān)電源電磁兼容性
LED開關(guān)電源電磁兼容性:高頻LED開關(guān)電源的電磁兼容(EMC)問題有其特殊性.功率半導體器件在開關(guān)過程中所產(chǎn)生的di/dt和dv/dt,將引起強大的傳導電磁干擾和諧波干擾,以及強電磁場(通常是近場)輻射.不但嚴重污染周圍電磁環(huán)境,對附近的電氣設備造成電磁干擾,還可能危及附近操作人員的安全.同時,電力電子電路(如開關(guān)變換器)內(nèi)部的控制電路也必須能承受開關(guān)動作產(chǎn)生的EMI及應用現(xiàn)場電磁噪聲的干擾.上述特殊性,再加上EMI測量上的具體困難,在電力電子的電磁兼容領(lǐng)域里,存在著許多交叉學科的前沿課題有待人們研究.

8:LED開關(guān)電源設計和測試技術(shù)
LED開關(guān)電源系統(tǒng)的CAD,包括主電路和控制電路設計、器件選擇、參數(shù)最優(yōu)化、磁設計、熱設計、EMI設計和印制電路板設計、可靠性預估、計算機輔助綜合和優(yōu)化設計等.用基于仿真的專家系統(tǒng)進行LED開關(guān)電源系統(tǒng)的CAD,可使所設計的系統(tǒng)性能最優(yōu),減少設計制造費用,并能做可制造性分析,是21世紀仿真和CAD技術(shù)的發(fā)展方向之一.此外,LED開關(guān)電源系統(tǒng)的熱測試、EMI測試、可靠性測試等技術(shù)的開發(fā)、研究與應用也是應大力發(fā)展的.

9:LED開關(guān)電源系統(tǒng)集成技術(shù)
LED開關(guān)電源系統(tǒng)集成技術(shù):LED電源設備的制造特點是非標準件多、勞動強度大、設計周期長、成本高、可靠性低等,而用戶要求制造廠生產(chǎn)的LED開關(guān)電源產(chǎn)品更加實用、可靠性更高、更輕小、成本更低.這些情況使LED開關(guān)電源制造廠家承受巨大壓力,迫切需要開展集成LED開關(guān)電源模塊的研究開發(fā),使 LED開關(guān)電源產(chǎn)品的標準化、模塊化、可制造性、規(guī)模生產(chǎn)、降低成本等目標得以實現(xiàn).

實際上,在LED開關(guān)電源集成技術(shù)的發(fā)展進程中,已經(jīng)經(jīng)歷了電力半導體器件模塊化,功率與控制電路的集成化,集成無源元件(包括磁集成技術(shù))等發(fā)展階段.近年來的發(fā)展方向是將小功率LED開關(guān)電源系統(tǒng)集成在一個芯片上,可以使LED開關(guān)電源產(chǎn)品更為緊湊,體積更小,也減小了引線長度,從而減小了寄生參數(shù).在此基礎(chǔ)上,可以實現(xiàn)一體化,所有元器件連同控制保護集成在一個模塊中.

上世紀90年代,隨著大規(guī)模分布電源系統(tǒng)的發(fā)展,一體化的設計觀念被推廣到更大容量、更高電壓的電源系統(tǒng)集成,提高了集成度,出現(xiàn)了集成電力電子模塊(IPEM).IPEM將功率器件與電路、控制以及檢測、執(zhí)行等單元集成封裝,得到標準的,可制造的模塊,既可用于標準設計,也可用于專用、特殊設計.優(yōu)點是可快速高效為用戶提供產(chǎn)品,顯著降低成本,提高可靠性.

LED開關(guān)電源設計開發(fā)結(jié)語
以上簡要回顧了LED開關(guān)電源發(fā)展的歷程和技術(shù)亮點,相信未來LED開關(guān)電源的理論與技術(shù)發(fā)展將會有更輝煌的成就.


參考資料:LED開關(guān)電源設計參數(shù)注意事項,開關(guān)電源的IPEM