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LED面板灯驱动电源选用

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人气:-发表时间:2018-01-02 16:37【

LED面板灯(又叫LED平板灯)是严格意义上的第一款商用且成熟的LED灯具,它的结构和光学特性都是从LED技术出发,以全新的设计满足照明需求的好产品。

从诞生之初,超薄的结构、超高的光效、低光衰、长寿命成为了各厂商技术团队的研发方向。从驱动电源角度看,LED面板灯大致经历了以下几个发展时期。

LED面板灯,起初采用传统格栅灯灯壳,用LED灯板替换T8灯管组件,做成直下式发光。驱动电源多为内置恒流电源。

借鉴手机类背光方案,采用铝型材+导光板+侧发光结构的新型设计,真正意义上的LED面板灯诞生了。这个阶段的驱动电源多采用恒压式外置电源,以现有的适配器电源为主(75W以下的适配器电源PF值没有要求,一般在0.5左右)。

用恒压适配器电源作为LED面板灯供电之用(通过LED灯板上的贴片电阻来达到恒定电流的目的),一来是为了采购和后续维护的便利性,二来是这个阶段还没有与之相匹配的成熟的LED恒流电源。

2012年以来,随着市场份额的扩大、灯珠光通量的提升,出于LED寿命和光效的考虑,LED恒流驱动电源被更广泛的使用在LED面板灯上。赋予了LED面板灯更多的产品属性和价值。
  
首先,我们明确下LED驱动电源的一些基本概念。
  
什么是PFC?
PFC通俗的说就是功率因数校正,通过PFC电路,实现降低用电器对公共电网的谐波污染。出于节能减排的需要,展现LED照明产品的健康友好,世界范围内的认证产品大都对LED驱动器的PF提出了明确要求。
  
什么是频闪?
频闪与频闪效应是针对电光源,光通量的波动深度和由此产生的危害效应(称为频闪效应)大小的两个互为因果的物理量。频闪是指电光源光通量波动的深度。光通量波动深度越大,频闪越严重。电光源光通量波动深度大小,与电光源的技术方案有直接关系。
  
如何测试频闪?
人眼对60Hz以上的闪烁是不敏感的,LED恒流电源输出端工频一般在100Hz及以上。用CCD感光成像(手机、摄像机)采样LED照明的测试方法并不一定准确,却是一种简单的测试方法。

传统测试方法是:在太阳光下,转动黑白相间的陀螺仪,图案会形成稳定的环状,色环不会随着转动速度、旋转方向而改变。在被测试光照下,转动黑白相间的陀螺仪,观察现象:如果图案的颜色或者环状结构发生变化,则说明光照存在频闪,变化越明显说明频闪越厉害。但没法对频闪深度作出准确的评判。

最科学测试方法是:使用光源频闪测量系统(Light Flickering Analyzer),其核心是1台采样频率10kS/s(每秒测试1万次)的超快速光度计。扫描发光物的发光曲线(类似示波器),并计算闪烁指数等参数,得出光的波动深度(光纹波系数)。
  
什么样的波动深度是被接受的?
无频闪需求,是应市场的使用需要有针对性的开发的。目前在美规中有着明确的技术要求,但大部分市场还没有统一的标准来严格要求光源的频闪深度。目前有的客户要求波动深度<8%,有的要求<5%,更有甚者要求<1% 。

经过多年的发展,LED面板灯也由早期的商照扩展到了宽泛的民用照明。与之相匹配的恒流驱动电源也呈现出相对应的产品特性。大致分为以下几个大类:
  
一、民用照明

①无PFC的BUCK电路
随着LED民用照明市场的爆发式增长,LED灯具配套材料中的散热器件和光源成本都下降明显,LED驱动电源的成本压力尤为突出。出于降低综合成本和缩减尺寸的考虑,LED民用照明领域大部分都采用了非隔离内置MOS无PFC的BUCK电路。

BUCK电路中,桥堆后面的电解电容的取值大小直接影响输出的稳定性和纹波大小。BUCK电路无功率因数校正,故PF值大都在0.5左右,波形如下图。体积小、低成本、高效率、无频闪、纹波小是它的最大优点,最大的缺点是谐波较高。

②被动PFC(填谷电路)
  
什么是被动PFC?
被动PFC通俗来讲,就是通过搭建一种电路,来提高电源的功率因数,以满足使用的需要。用于LED照明的开关电源是一种常见的非线性负载,典型的开关电源首先会用整流二极管产生直流电压,再由直流电压产生输出电压。由于整流器为非线性元件,其输入电流会有许多的高次谐波成份,欧盟为了提升功率因数,特在认证标准中设置了谐波含量的标准(一般LED照明设备需满足THD<20%的最低要求)。

如何降低被动PFC电路中的谐波含量?
最简单降低谐波电流的方式是使用只含有被动元件的滤波器,称为被动功率因数校正或无源功率因数修正(passive PFC)。例如设计一滤波器,只让基频(50或60Hz)频率的电流通过,滤波器可降低谐波电流,因此会使非线性元件的输入电流会和线性元件比较接近。若要功率因数接近1,需要使用电容或电感。一般这类的滤波器需使用大电流的电感,其体积较大,难以满足LED驱动电源的尺寸要求。采用电容组来校正负载的非线性设计——填谷电路就成了最佳方式。

填谷电路采用两个大的电容和三个二极管进行功率因素校正,同时吸收交流纹波。

二、商业照明
  
①LED单级PFC电路
优点:电路拓扑简单,有BOM成本低,高PF,高效率,THD≤15% 。

缺点:单级PFC因为前面没有大电解,所以输出有很高的两倍工频的纹波电流和纹波电压;输出滤波电容用得比较大;传导辐射比较难处理;因没输入端有大电容,电路多直接暴露在电网中,抗雷击能力差,需要接入抗雷击浪涌电路抑制电网波动。 

②LED无频闪技术之两级电路
隔离电源按照结构形式不同,可分为两大类:正激式和反激式。反激式电源因其结构简单,省掉了一个和变压器体积大小差不多的电感,而在中小功率电源中得到广泛的应用。

以此为基础,采用“主动PFC+反激式转换器”的电路是实现无频闪电源的高可靠性方案。因体积和成本的问题,这类架构主要用于LED中功率(30-100W)外置电源,实现无频闪、低谐波、全电压、高PF输出。
  
回到LED面板灯来看,功率因数的高低不会影响电源的有功功耗,提高功率因数更多的是出于降低电源对公共电网的用电压力。影响灯具寿命的关键点是驱动电源的转换效率、散热结构的合理性、灯珠品质的一致性以及驱动电源的输出纹波(纹波过大会造成灯珠严重光衰)。

用于LED面板灯的最佳驱动方案是在认证的前提下,满足高效率、高PF、低THD、无频闪技术要求。但做到这些技术特性后,驱动电源的成本肯定是相对较高的,需要通过大批量制造,降低单品成本形成规模效应。

对于以PWM技术为基础的智控照明, 例如 IR/FR/ Wi-Fi/ Bluetooth/ Zigbee/2.4G…,实现了LED面板灯的调光、调色温、蓝牙音箱等功能,也实现了与互联网和移动终端的互联互通,但毕竟是新兴的小众市场。

回归到产品本身,稳定可靠的光输出是产品的基础。技术同质化灯具类产品的成本控制是不可回避的竞争点,在结构创新和灯珠成本都没有太多可改善的情况下,升级LED驱动电源技术方案无疑是快速实现增加产品附加值的最有效方式。

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