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干货!LED电源设计你必须知道的事儿

助工
2020-07-09 18:53:09    评分

一、常见LED驱动电源LED电源有很多种类,各类电源的质量、价格差异非常大,这也是影响产品质量及价格的重要因素之一。LED驱动电源通常可以分为三大类,一是开关恒流源,二是线性IC电源,三是阻容降压电源。开关恒流源采用变压器将高压变为低压,并进行整流滤波,以便输出稳定的低压直流电。开关恒流源又分隔离式电源和非隔离式电源,隔离是指输出高低电压隔离,安全性非常高,所以对外壳绝缘性要求不高。非隔离安全性稍差,但成本也相对低,传统节能灯就是采用非隔离电源,采用绝缘塑料外壳防护。开关电源的安全性相对较高(一般是输出低压),性能稳定,缺点是电路复杂、价格较高。开关电源技术成熟,性能稳定,是目前LED照明的主流电源。线性IC电源采用一个IC或多个IC来分配电压,电子元器件种类少,功率因数、电源效率非常高,不需要电解电容,寿命长,成本低。缺点是输出高压非隔离,有频闪,要求外壳做好防触电隔离保护。市面上宣称无(去)电解电容,超长寿命的,均是采用线性IC电源。IC驱电源具有高可靠性,高效率低成本优势,是未来理想的LED驱动电源。阻容降压电源采用一个电容通过其充放电来提供驱动电流,电路简单,成本低,但性能差,稳定性差,在电网电压波动时极容易烧坏LED,同时输出高压非隔离,要求绝缘防护外壳。功率因数低,寿命短,一般只适于经济型小功率产品(5W以内)。功率高的产品,输出电流大,电容不能提供大电流,否则容易烧坏。另外,国家对高功率灯具的功率因数有要求,即7W以上的功率因数要求大于0.7,但是阻容降压电源远远达不到(一般在0.2-0.3之间),所以高功率产品不宜采用阻容降压电源。市场上,要求不高的低端型的产品,几乎全部是采用阻容降压电源,还有一些高功率的便宜的低端产品,也是采用阻容降压电源。二、LED开关电源与驱动电源的区别概括地说,LED驱动也是开关电源的一种,只是它有几点特殊性,也是这类开关电源的共性,所以习惯上把它分类称为LED驱动了。这几点特殊性是:它的电压输出是3.2的倍数,就是说电压输出的形式为3.2V、6.4V、9.6V、12.8V,但最多一般不超过25.6V。因为超过这个数后,在开启LED的时候,会因产品的一致性不好而发生瞬间烧毁最后导通的那只LED的可能性。而且这个电压也不是恒定的,是随负载的变化而变化,以达到恒流的目的。它的输出电流是恒定的,理想的电路是无论LED的特性曲线怎么变化,驱动电源的电流保持不变。但限于元件精度,还是会有少量的变化的,而这个变化也是判断驱动电路是否优秀的重要参数,LED的导通与电压的函数是一个非线性的“三段”关系,所以保持恒流非常重要。它的启动是软启动。由于LED的一致性非常差,并且在导通时内部PN结的活性发生瞬间变化,所以LED的驱动一般设计为软启动,来避开这个缺陷。它的电路要求最简单,因为很多时候,要求电路装在一个很小的空间里,以配合LED照明的方便性,所以电路应尽可能的简单,这样也能节约成本、减少能耗。它一般不要求隔离,因为很多产品是类似于普通照明灯一样的结构,安全方面可与照明灯相仿就是。但这第一条是一个“选读项”,大家在了解的时候不要有误解,因为有的驱动还是需要隔离的,这个特点只适用于我们目前流行的电路,而不一定适合以后的电路发展需要。综上所述,可以认为:软启动、恒流、阶跃电压、电路简单是它的特点。这里再指出一点:很多人片面的强调恒流,但却闭口不提电压,是不对的。因为恒流的概念与电压无关,比如一个电源,如果仅仅是30V输出的恒流,那么当你开路的时候,它的电压就是30V了;这时你如果接上LED,那么这个直接用PN结工作的元件,会在最精确电路的反应之前烧掉的。因为任何电路都需要有反应时间,而电路里的工作器件就是半导体。PN结在电源给出取样信号后才能反应过来,而LED的PN结直接就开始工作了,所以它的“反应”比电路中“众多的PN结配合”来得快,提前烧掉!当然也有特殊场合下用这种驱动的,但这种LED的驱动不允许输出端开路的。准确的说是“不允许输出端开路后再接上LED”。三、LED电源抗干扰首先我们来看一下能够影响到EMI/EMC的几个因素:驱动电源的电路结构;开关频率、接地、PCB设计、智能LED电源的复位电路设计。由于最初的LED电源就是线性电源,但是线性电源在工作时会以发热的形式损耗大量能量。线性电源的工作方式,使他从高压变低压必须有将压装置,一般的都是变压器, 再经过整流输出直流电压。虽然笨重,发热量大,优点是,对外干扰小,电磁干扰小,也容易解决。而现在使用比较多的LED开关电源,都是以 PWM形式的LED驱动电源是让功率晶体管工作在导通和关断状态。在导通时,电压低,电流大;关断时,电压高,电流小,因此功率半导体器件上所产生的损耗 也很小。缺点比较明显的是,电磁干扰(EMI)也更严重。LED电源的电磁兼容出现问题一般是开关电路的电源中。而开关电路是开关电源的主 要干扰源之一。开关电路是LED驱动电源的核心,开关电路主要由开关管和高频变压器组成。它产生的du/dt具有较大幅度的脉冲,频带较宽且谐波丰富。这种高频脉冲干扰产生的主要原因是:开关管负载为高频变压器初级线圈,是感性负载。导通瞬间,初级线圈产生很大的涌流,并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压;断开瞬间,由于初级线圈的漏磁通,致使部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈,电路中形成带有尖峰的衰减振荡,叠加在关断电压上,形成关断电压尖 峰。高频脉冲产生更多的****,周期性信号产生更多的****。在LED电源系统中,开关电路产生电流尖峰信号,而当负载电流变化时也会产生电流尖峰信号。这就是电磁干扰根源之一。基本上在所有电磁干扰问题的题目中,主要是因为不适当的接地引起的。有三种信号接地方法:单点、多点和混合。在开关电路频率低于1MHz时,可采用单点接地方法,但不适宜高频;在高频应用中,最好采用多点接地。混合接地是低频用单点接地,而高频用多点接地的方法。地线布局是关键,高频数字电路和低电平模拟电路的接地电路尽不能混合。可以说适当的印刷电路板(PCB)布线对防止EMI是至关重要的。在LED电源中,有不少智能LED电源采用单片机控制,并且有的LED电源采用单片机控制开关电路的占空比,单片机的看门狗系统对整个LED电源的运行起着特别重要的作用,由于所 有的干扰源不可能全部被隔离或往除,一旦进进CPU干扰程序的正常运行,那么复位系统结合软件处理措施就成了一道有效的纠错防御的屏障了。常用的复位系统有以下两种:①外部复位系统。外部“看门狗”电路可以自己设计也可以用专门的“看门狗”芯片来搭建。这样,假如程序系统陷进一个死循环,而该循环中恰巧有着“喂狗”信号的话,那么该复位电路就无法实现它的应有的功能了。②现在越来越多的LED电源都带有自己的片上复位系统,这样用户就可以很方便的使用其内 部的复位定时器了,但是,有些智能LED电源的控制电路复位指令太过于简单,这样也会存在象上述死循环那样的“喂狗”指令,使其失往监控作用。要解决LED驱动电源的电磁干扰问题,从硬件上可从以下几个方面入手:1.减少开关电源本身的干扰:软开关技术,在原有的硬开关电路中增加电感和电容元件,利用电感和电容的谐振,降低开关过程中的du/dt和di/dt,使开关器件开通时电压的下降先于电 流的上升,或关断时电流的下降先于电压的上升,来消除电压和电流的重叠。开关频率调制技术,通过调制开关频率fc,把集中在fc及其谐波2fc、3fc… 上的能量分散到它们周围的频带上,以降低各个频点上的EMI幅值。元器件的选择,选择不易产生噪声、不易传导和辐射噪声的元器件。通常特别值得注意的是, 二极管和变压器等绕组类元器件的选用。反向恢复电流小、恢复时间短的快速恢复二极管是开关电源高频整流部分的理想器件。合理使用电磁干扰滤波器,EMI滤波器的主要目的之一,电网噪声是电磁干扰的一种,它属于射频干扰(RFI),其传导噪声的频谱大致为10KHz~30MHz,最高可达150MHz.在一 般情况下,差模干扰幅度小,频率低,所造成的干扰较小;共模干扰幅度大,频率高,还可以通过导线产生辐射,所造成的干扰较大。欲削弱传导干扰,最有效的方 法就是在开关电源输入和输出电路中加装电磁干扰滤波器。LED电源一般采用简易式单级EMI滤波器,主要包括共模扼流圈和滤波电容。EMI滤波器能有效抑 制开关电源适配器的电磁干扰。2.通过切断干扰信号的传播途径来减少电磁干扰问题:第一种情况是电源线干扰可以使用电源线滤 波器滤除。一个合理有效的开关电源EMI滤波器应该对电源线上差模和共模干扰都有较强的抑制作用。改善PCB板的电磁兼容性设计PCB是LED电源系统中 电路元件和器件的支撑件,它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电子技术的飞速发展,PCB的密度越来越高。PCB设计的好坏对LED电源系统的电磁 兼容性影响很大。实践证实,即使电路原理图设计正确,印刷电路板设计不当,也会对LED电源系统的可靠性产生不利影响。PCB抗干扰设计主要包括PCB布 局、布线及接地,其目的是减小PCB的电磁辐射和PCB上电路之间的串扰。还有,一般变压器电磁干扰引发的交流声频率一般为50HZ左右,而地线布线不当 导致的交流声,由于整流电路的倍频作用频率约为100HZ,仔细区分还是可以察觉的。因此,在设计印刷电路板的时候,应留意采用正确的方法,遵守PCB设 计的一般原则,并应符合抗干扰的设计要求。3.主动大幅增强受干扰体的抗干扰能力:在LED电源系统中输进/输出也是干扰源 的传导线,和接收射频干扰信号的拾检源,我们设计时一般要采取有效的措施:采用必要的共模/差模抑制电路,同时也要采取一定的滤波和防电磁屏蔽措施以减小 干扰的进进。在条件许可的情况下尽可能采取各种隔离措施(如光电隔离或者磁电隔离),从而阻断干扰的传播。防雷击措施,室外使用的LED电源系统或从室外 排挤引进室内的电源线、信号线,要考虑系统的防雷击题目。常用的防雷击器件有:气体放电管、TVS(Transient Voltage Suppression)等。气体放电管是当电源的电压大于某一数值时,通常为数十V或数百V,气体击穿放电,将电源线上强冲击脉冲导进大地。TVS可以 看成两个并联且方向相反的齐纳二极管,当两端电压高于某一值时导通。其特点是可以瞬态通过数百乃上千A的电流。通过本文我们可以总结出针对于LED电源EMC/EMI的主要几个控制技术是:电路措施、EMI滤波、元器件选择、屏蔽和印制电路板抗干扰设计等。如果能正确合理的对这些问题进行解决,顺利通过3C认证,不是问题!以上就是LED驱动电源设计的一些解析,希望能给大家帮助。




关键词: 干货     LED     电源     设计     必须     知道     事儿    

助工
2020-07-09 21:11:03    评分
2楼

干货啊!


助工
2020-07-09 21:16:23    评分
3楼

过压过流、过热,是设计LED电源的关键!


助工
2020-07-09 21:22:02    评分
4楼

做好LED电源的EMC/EMI 认证,不容易啊!


助工
2020-07-10 18:49:04    评分
5楼

干货


助工
2020-07-10 18:56:03    评分
6楼

感谢楼主分享


工程师
2020-07-10 20:46:50    评分
7楼

的确是满满的干货


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