LED由于环保、寿命长、光电效率高等众多优点,近年来在各行业应用得以快速发展,
LED电源成了关注热点,理论上,LED的使用寿命在10万小时以上,但在实际应用过程中,由于驱动电源的设计及驱动方式选择不当,使LED极易损坏.随着LED的应用日益广泛,
LED电源的性能将越来越适合LED的要求.
我们设计
LED电源时,有必要知道LED电流、电压特性,由于LED的生产厂家及LED规格不同,电流、电压特性均有差异.现以白光LED典型规格为例,按照LED的电流、电压变化规律,一般应用正向电压为3.0-3.6V左右,典型值电压为3.3V,电流为20mA,当加于LED两端的正向电压超过3.6V后,正向电压很小的增加,LED的正向电流都有可能会成倍增涨,使LED发光体温升过快,从而加速LED光衰减,使LED的寿命缩短,严重时甚至烧坏LED.根据LED的电压、电流变化特性,对驱动电源的设计提出严格要求.
恒流驱动的理由
白光LED的顺向电压通常被规范成20mA时,最小为3.0V,最大为4.0V,也就是若单纯施加一定的顺向电压时,顺向电流会作大范围的变化.
图1是从A、B两家LED企业的产品中随机取三种白光LED样品进行顺向电压与顺向电流特性检测的结果.根据检测结果显示,若利用3.4V顺向电压驱动上述六种白光LED时,顺向电流会在10~44mA范围内大幅变动.表1为白光LED的电气与光学特性.
当前很多厂家生产的LED灯类产品(比如护栏、灯杯、投射灯),采用阻、容降压,然后加上一个稳压二极管稳压,向LED供电,这样驱动LED的方式存在极大缺陷,首先是效率低,在降压电阻上消耗大量电能,甚至有可能超过LED所消耗的电能,且无法提供大电流驱动,因为电流越大,消耗在降压电阻上的电能就越大,所以很多产品的LED不敢采用并联方式,均采用串联方式降低电流.其次是稳定电压的能力极差,无法保证通过LED电流不超过其正常工作要求,设计产品时都会采用降低LED两端电压来供电驱动,这样是以降低LED亮度为代价的.采用阻、容降压方式驱动LED,LED的亮度不能稳定,当供电电源电压低时,LED的亮度变暗,供电电源电压高时,LED的亮度变亮些.阻、容降压方式驱动LED的最大优势是成本低.
根据LED电流、电压变化特点,采用恒压驱动LED是可行的,虽然常用的稳压电路,存在稳压精度不够和稳流能力较差的缺点,但在某些产品的应用上可能过精确设计,其优势仍然是其它驱动方式无法取代的.
采用恒流驱动方式,是比较理想的LED驱动方式,它能避免LED正向电压的改变而引起电流变动,同时恒定的电流使LED的亮度稳定.因此众多厂家选用恒流方式驱动LED.还有一种LED驱动方式是可行的,它即不恒压,也不恒流,但通过电路的设计,当LED正向电压升高时,使驱动电流减小,保证了LED产品的安全.当然正向电压的升高只能在LED承受范围,过高也会损坏LED.
理想的LED驱动方式是采用恒压、恒流.但驱动器的成本增加.其实每种驱动方式均有优、缺点,根据LED产品的要求、应用场合,合理选用LED驱动方式,精确设计驱动电源成为关键.LED虽然在节能方面比普通光源的效率高,但是LED光源却不能像一般的光源一样可以直接使用公用电网电压,它必须配有专用电压转换设备,提供能够满足LED额定的电压和电流,才能使LED正常工作,也就所谓的LED专用电源.
但由于各种规格不同的LED电源的性能和转换效率各不相同,所以选择合适、高效的LED专用电源,才能真正展露出LED光源高效能的特性.因为低效率的LED电源本身就需要消耗大量电能,所以在给LED供电的过程中就无法凸显LED的节能特点.总之,LED电源在LED工作中的稳定性、节能性、寿命长短,具备重要的作用.
LED具有类似于二极管的正向V-I特性.在低于LED开启阈值(白光LED的开启电压阈值大约为3.5V)时,通经该LED的电流非常小.在高于该阈值时,电流会以正向电压形式成指数倍递增.这就允许将LED定型为带有一个串联电阻的电压源,其中带有一则警示说明:本模型仅在单一的工作DC电流下才有效.如果LED中的DC电流发生改变,那么该模型的电阻也应随即改变,以反映新的工作电流.在大的正向电流下,LED中的功率耗散会使设备发热,此举将改变正向压降和动态阻抗.在确定LED阻抗时充分考虑散热环境是非常重要的.
当通过降压稳压器驱动LED时,LED常常会根据所选的输出滤波器排列来传导电感的AC纹波电流和DC电流.这不仅会提高LED中电流的RMS振幅,而且还会增大其功耗.这样就可提高结温并对LED的使用寿命产生重要影响.如果我们设定一个70%的光输出限制作为LED的使用寿命,那么LED的寿命就会从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电流的平方再加上平均电流乘以正向压降来确定.由于结温可通过平均功耗来确定,因此即使是较大的纹波电流对功耗产生的影响也不大.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增加不超过10%的总功率损耗.如果远远超过上面的损耗水平,那么就需要降低来自电源的AC纹波电流以便使结温和工作寿命保持不变.一条非常有用的经验法则是结温每降低10摄氏度,半导体寿命就会提高两倍.实际上,由于电感器的抑制作用,因此大多数设计就趋向于更低的纹波电流.此外,LED中的峰值电流不应超过厂商所规定的最大安全工作电流额定值.
大功率LED被称为“绿色光源”,它将向大LED电流(300mA 至1.4A)、高效率(60至120 流明/瓦)、亮度可调的方向发展.
由于大功率LED在寿命上具有很大优势,所以发展前景非常广阔,其中最被看好的照明应用是汽车、医疗设备和仪器仪表及其它特种照明环境.但这些应用对LED驱动系统设计也提出了新的要求,包括:输入电压范围一般要求为6V到24V;具有冲击负载保护、反相和过压保护;待机功耗非常低;低带隙基准以减少电流检测损耗以及具有PWM调整亮度的功能等.
驱动电源设计不好LED灯会出现的不良现象:
1:有嘈音; 2:亮度随电压而变化; 3:关闭时闪耀; 4:开机时闪耀; 5:温度很高; 6:一批货功率相差很大,达二瓦以上.
目前LED均采用直流驱动,因此在市电与LED之间需要加一个电源适配器即LED驱动电源.它的功能是把交流市电转换成合适LED的直流电.根据电网的用电规则和LED的驱动特性要求,在选择和设计LED驱动电源时要考虑到以下几点:
1．高可靠性
特别像LED路灯的驱动电源,装在高空,维修不方便,维修的花费也大.
2．高效率
LED是节能产品,驱动电源的效率要高.对于电源安装在灯具内的结构,尤为重要.因为LED的发光效率随着LED温度的升高而下降,所以LED的散热非常重要.电源的效率高,它的耗损功率小,在灯具内发热量就小,也就降低了灯具的溫升.对延缓LED的光衰有利.
3．高功率因素
功率因素是电网对负载的要求.一般70瓦以下的用电器,没有强制性指标.虽然功率不大的单个用电器功率因素低一点对电网的影响不大,但晚上大家点灯,同类负载太集中,会对电网产生较严重的污染.对于30瓦~40瓦的LED驱动电源,据说不久的将来,也许会对功率因素方面有一定的指标要求.
4．驱动方式
现在通行的有两种:其一是一个恒压源供多个恒流源,每个恒流源单独给每路LED供电.这种方式,组合灵活,一路LED故障,不影响其他LED的工作,但成本会略高一点.另一种是直接恒流供电,LED串联或并联运行.它的优点是成本低一点,但灵活性差,还要解决某个LED故障,不影响其他LED运行的问题.这两种形式,在一段时间内并存.多路恒流输出供电方式,在成本和性能方面会较好.也许是以后的主流方向.
5．浪涌保护
LED抗浪涌的能力是比较差的,特别是抗反向电压能力.加强这方面的保护也很重要.有些LED灯装在户外,如LED路灯.由于电网负载的启甩和雷击的感应,从电网系统会侵入各种浪涌,有些浪涌会导致LED的损坏.因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入,保护LED不被损坏的能力.
6．保护功能
电源除了常规的保护功能外,最好在恒流输出中增加LED温度负反馈,防止LED温度过高.
7．防护方面
灯具外安装型,电源结构要防水、防潮,外壳要耐晒.
8．驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配.
9．要符合安规和电磁兼容的要求.
