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(yīng)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(shè)計(jì)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?fù)渑c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(diǎn)是用20kHz的載波進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制,LED開關(guān)電源的效率可達(dá)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(yù)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(shè)備(如手提計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話等)更需要小型化、輕量化的 LED開關(guān)電源.因此,對(duì)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(jìn)了LED開關(guān)電源的不斷發(fā)展和進(jìn)步.

本文介紹在設(shè)計(jì)LED開關(guān)電源時(shí)應(yīng)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(biāo).這對(duì)便攜式電子設(shè)備(如移動(dòng)電話,數(shù)字相機(jī)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(shí)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(chǔ)能元件的體積重量.
二是應(yīng)用壓電變壓器.應(yīng)用壓電變壓器可使高頻功率變換器實(shí)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(dòng)”變換和“振動(dòng)-電壓”變換的性質(zhì)傳送能量,其等效電路如同一個(gè)串并聯(lián)諧振電路,是功率變換領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一.
三是采用新型電容器.為了減小電力電子設(shè)備的體積和重量,須設(shè)法改進(jìn)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(yīng)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(duì)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(jí)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(yīng)用.

3:LED開關(guān)電源中高頻化以后軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)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(yīng)用軟開關(guān)技術(shù).它是過去幾十年國際電源界的一個(gè)研究熱點(diǎn).
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(jì)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(zhǔn)諧振(上世紀(jì)80年代中)全橋移相ZVS-PWM,恒頻ZVS-PWM/ZCS-PWM(上世紀(jì)80年代末)ZVS-PWM有源嵌位;ZVT-PWM/ZCT-PWM(上世紀(jì)90年代初)全橋移相ZV-ZCS-PWM(上世紀(jì)90年代中)等.我國已將最新軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于6kW通信電源中,效率達(dá)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(duì)于低電壓、大電流輸出的軟開關(guān)變換器,可進(jìn)一步提高其效率的措施是設(shè)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(yīng)用
LED開關(guān)電源中功率因數(shù)校正(PFC)變換器應(yīng)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(shí),單相整流電源供電的電子設(shè)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(duì)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(jìn)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(shè)備中得到應(yīng)用.
全數(shù)字控制的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)字信號(hào)與混合模數(shù)信號(hào)相比可以標(biāo)定更小的量,芯片價(jià)格也更低廉;對(duì)電流檢測誤差可以進(jìn)行精確的數(shù)字校正,電壓檢測也更精確;可以實(shí)現(xiàn)快速,靈活的控制設(shè)計(jì).

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(dǎo)體器件在開關(guān)過程中所產(chǎn)生的di/dt和dv/dt,將引起強(qiáng)大的傳導(dǎo)電磁干擾和諧波干擾,以及強(qiáng)電磁場(通常是近場)輻射.不但嚴(yán)重污染周圍電磁環(huán)境,對(duì)附近的電氣設(shè)備造成電磁干擾,還可能危及附近操作人員的安全.同時(shí),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(dòng)作產(chǎn)生的EMI及應(yīng)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(xué)科的前沿課題有待人們研究.

8:LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、器件選擇、參數(shù)最優(yōu)化、磁設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、EMI設(shè)計(jì)和印制電路板設(shè)計(jì)、可靠性預(yù)估、計(jì)算機(jī)輔助綜合和優(yōu)化設(shè)計(jì)等.用基于仿真的專家系統(tǒng)進(jìn)行LED開關(guān)電源系統(tǒng)的CAD,可使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能最優(yōu),減少設(shè)計(jì)制造費(fèi)用,并能做可制造性分析,是21世紀(jì)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(yīng)用也是應(yīng)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(shè)備的制造特點(diǎn)是非標(biāo)準(zhǔn)件多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、設(shè)計(jì)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、可制造性、規(guī)模生產(chǎn)、降低成本等目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn).

實(shí)際上,在LED開關(guān)電源集成技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中,已經(jīng)經(jīng)歷了電力半導(dǎo)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(gè)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(shí)現(xiàn)一體化,所有元器件連同控制保護(hù)集成在一個(gè)模塊中.

上世紀(jì)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(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)的,可制造的模塊,既可用于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),也可用于專用、特殊設(shè)計(jì).優(yōu)點(diǎn)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(shè)計(jì)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(diǎn),相信未來LED開關(guān)電源的理論與技術(shù)發(fā)展將會(huì)有更輝煌的成就.


參考資料:LED開關(guān)電源設(shè)計(jì)參數(shù)注意事項(xiàng),開關(guān)電源的IPEM