LED開關電源

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

LED 開關穩壓電源(以下簡稱LED開關電源)問世后,在很多領域逐步取代了線性穩壓電源和晶閘管相控電源.早期出現的是串聯型LED開關電源,其主電路拓撲與線性電源相仿,但功率晶體管工作于開關狀態.隨著脈寬調制(PWM)技術的發展,PWM-LED開關電源問世,它的特點是用20kHz的載波進行脈沖寬度調制,LED開關電源的效率可達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開關電源替代線性電源,可大幅度節約能源,從而引起了人們的廣泛關注,在LED開關電源技術發展史上被譽為20kHz革命.隨著超大規模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不斷減小,LED開關電源的尺寸與微處理器相比要大得多;而路燈LED開關電源、大功率LED開關電源、軍用LED開關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開關電源.因此,對LED開關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開關電源的不斷發展和進步.

本文介紹在設計LED開關電源時應該注意參數:

1:LED開關電源功率密度
提高開關電源的功率密度,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,數字相機等)尤為重要.使開關電源小型化的具體辦法有以下幾種.
一是高頻化.為了實現電源高功率密度,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”變換的性質傳送能量,其等效電路如同一個串并聯諧振電路,是功率變換領域的研究熱點之一.
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,并研究開發適合于電力電子及電源系統用的新型電容器,要求電容量大、等效串聯電阻(ESR)小、體積小等.

2:LED開關電源中高頻磁性元件的選擇
LED開關電源系統中應用大量磁元件,高頻磁元件的材料、結構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、磁性能優越.適用于兆赫級頻率的磁性材料為人們所關注,納米結晶軟磁材料也已開發應用.

3:LED開關電源中高頻化以后軟開關技術的應用
LED開關電源高頻化以后,為了提高LED開關電源的效率,必須開發和應用軟開關技術.它是過去幾十年國際電源界的一個研究熱點.
PWM-LED開關電源按硬開關模式工作(開/關過程中電壓下降/上升和電流上升/下降波形有交疊),因而開關損耗大.高頻化雖可以縮小體積重量,但開關損耗卻更大了.為此,必須研究開關電壓/電流波形不交疊的技術,即所謂零電壓開關(ZVS)/零電流開關(ZCS)技術,或稱軟開關技術,小功率軟LED 開關電源效率可提高到80%~85%.上世紀70年代諧振開關電源奠定了軟開關技術的基礎.隨后新的軟開關技術不斷涌現,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技術應用于6kW通信電源中,效率達93%.

4:LED開關電源中使用同步整流技術
LED開關電源中使用同步整流技術,相對于低電壓、大電流輸出的軟開關變換器,可進一步提高其效率的措施是設法降低開關的通態損耗.例如同步整流(SR) 技術,即以功率MOS管反接作為整流用開關二極管,代替蕭特基二極管(SBD),可降低管壓降,從而提高LED開關電源電路效率.

5:LED開關電源中功率因數校正(PFC)變換器應用
LED開關電源中功率因數校正(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,電網側(交流輸入端)功率因數僅為0.6- 0.65.采用功率因數校正(PFC)變換器,網側功率因數可提高到0.95~0.99,輸入電流THD<10%.既治理了對電網的諧波污染,又提高了電源的整體效率.這一技術稱為有源功率因數校正(APFC).

6:LED開關電源的全數字化控制
LED開關電源的控制已經由模擬控制,模數混合控制,進入到全數字控制階段.全數字控制是發展趨勢,已經在許多功率變換設備中得到應用.
全數字控制的優點是數字信號與混合模數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字校正,電壓檢測也更精確;可以實現快速,靈活的控制設計.

7:LED開關電源電磁兼容性
LED開關電源電磁兼容性:高頻LED開關電源的電磁兼容(EMC)問題有其特殊性.功率半導體器件在開關過程中所產生的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(如開關變換器)內部的控制電路也必須能承受開關動作產生的EMI及應用現場電磁噪聲的干擾.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開關電源設計和測試技術
LED開關電源系統的CAD,包括主電路和控制電路設計、器件選擇、參數最優化、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化設計等.用基于仿真的專家系統進行LED開關電源系統的CAD,可使所設計的系統性能最優,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技術的發展方向之一.此外,LED開關電源系統的熱測試、EMI測試、可靠性測試等技術的開發、研究與應用也是應大力發展的.

9:LED開關電源系統集成技術
LED開關電源系統集成技術: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的LED開關電源產品更加實用、可靠性更高、更輕小、成本更低.這些情況使LED開關電源制造廠家承受巨大壓力,迫切需要開展集成LED開關電源模塊的研究開發,使 LED開關電源產品的標準化、模塊化、可制造性、規模生產、降低成本等目標得以實現.

實際上,在LED開關電源集成技術的發展進程中,已經經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)等發展階段.近年來的發展方向是將小功率LED開關電源系統集成在一個芯片上,可以使LED開關電源產品更為緊湊,體積更小,也減小了引線長度,從而減小了寄生參數.在此基礎上,可以實現一體化,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,隨著大規模分布電源系統的發展,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集成,提高了集成度,出現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.優點是可快速高效為用戶提供產品,顯著降低成本,提高可靠性.

LED開關電源設計開發結語
以上簡要回顧了LED開關電源發展的歷程和技術亮點,相信未來LED開關電源的理論與技術發展將會有更輝煌的成就.


參考資料:LED開關電源設計參數注意事項,開關電源的IPEM