LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)方案-LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)的五個(gè)要點(diǎn)與失效分析-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-03-18
LED驅(qū)動(dòng)電源是把電源供應(yīng)轉(zhuǎn)換為特定的電壓電流以驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光的電源轉(zhuǎn)換器，通常情況下：LED驅(qū)動(dòng)電源的輸入包括高壓工頻交流（即市電）、低壓直流、高壓直流、低壓高頻交流（如電子變壓器的輸出）等。
而LED驅(qū)動(dòng)電源的輸出則大多數(shù)為可隨LED正向壓降值變化而改變電壓的恒定電流源。
相對LED驅(qū)動(dòng)電源光源來說，LED驅(qū)動(dòng)電源的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，需要權(quán)衡的地方會(huì)更多，使得LED驅(qū)動(dòng)電源往往比LED光源先失效。據(jù)統(tǒng)計(jì)，整燈失效中超過80%的原因是電源出現(xiàn)了故障。導(dǎo)致LED驅(qū)動(dòng)電源失效的原因很多，可歸納為以下幾大類。
1、電子元器件老化
包括電阻、電容、二極管、三極管、LED、連接器、IC等器件開路、短路、燒毀、漏電、功能失效、電參數(shù)不合格、非穩(wěn)定失效等各種失效問題。
2、PCB質(zhì)量問題
包括PCB、PCBA潤濕不良、爆板、分層、CAF、開路、短路等等各種失效問題。
3、LED電源散熱不良
驅(qū)動(dòng)電路由電子元件組成，少數(shù)元件對溫度非常敏感。如電解電容，通行的電解電容壽命估算公式為“溫度每降低10度，壽命增加一倍”，散熱不良很可能導(dǎo)致其壽命大大縮短，提前失效，致使LED電壓出現(xiàn)故障，燈具失效。尤其是對于內(nèi)置式電源（放在整燈內(nèi)的電源），發(fā)熱量大的電源會(huì)增加整燈的導(dǎo)熱、散熱壓力，LED的溫度將升高，其光效和壽命將大大降低。所以在設(shè)計(jì)LED電源時(shí)，就應(yīng)該重視其自身的散熱問題。因此在開始設(shè)計(jì)燈具初期進(jìn)行評估，電源的設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，就能解決以上問題。在設(shè)計(jì)中要綜合考慮LED的散熱和電源的散熱，整體控制燈具的升溫，這樣才能設(shè)計(jì)出較好的燈具。
4、電源設(shè)計(jì)中的問題
（1）功率設(shè)計(jì)。雖然LED光效高，但是還有80%～85%的熱能損耗，致使燈具內(nèi)部有20～30K的溫升，如果室溫在25℃，燈具內(nèi)部則有45～55℃，電源長時(shí)間在高溫環(huán)境下工作，要保證壽命就必須加大功率裕量，一般留存1.5～2倍的裕量。
（2）元件選型。燈具內(nèi)部溫度在45～55℃時(shí)，電源內(nèi)部溫升還有20℃左右，則元件附件的溫度要達(dá)到65～75℃。有些元件在高溫時(shí)參數(shù)會(huì)漂移，甚至壽命會(huì)縮短，所以器件要選擇能在較高溫度下長時(shí)間使用的，還要特別注意電解電容和導(dǎo)線。
（3）電性能設(shè)計(jì)。開關(guān)電源針對LED的參數(shù)設(shè)計(jì)，主要是恒流參數(shù)，電流的大小決定LED的亮度，如果批量電流誤差較大，則整批燈的亮度不均勻。而且溫度的變化也能致使電源輸出電流偏移。一般批量誤差控制在±5%以內(nèi)，才能保證燈的亮度一致，LED的正向壓降有偏差，電源設(shè)計(jì)的恒流電壓范圍要包含LED的電壓范圍。多個(gè)LED串聯(lián)使用時(shí)，最小壓降乘以串聯(lián)數(shù)量為下限電壓，最大壓降乘以串聯(lián)數(shù)量為上限電壓，電源的恒流電壓范圍要比這個(gè)范圍稍寬些，一般上下限各留1～2V裕量。
（4）PCB布板設(shè)計(jì)。LED燈具留給電源的尺寸較小(除非電源是外置的)，所以在PCB設(shè)計(jì)上要求較高，要考慮的因素也較多。安全距離要留夠，要求輸入和輸出隔離的電源，一次側(cè)電路和二次側(cè)電路要求耐壓1500～2500VAC，在PCB上至少要留夠3mm的距離。如果是金屬外殼的燈具，則整個(gè)電源的布板還要考慮高壓部分和外殼的安全距離。如果沒有空間保證安全距離就要利用其他措施保證絕緣，比如在PCB上打孔、加絕緣紙、灌封絕緣膠等。另外布板還要考慮熱量均衡，發(fā)熱元件要均勻分布，不能集中放置，避免局部溫度升高。電解電容遠(yuǎn)離熱源，減緩老化，延長使用壽命。
5、雷擊損壞
雷擊是一種常見的自然現(xiàn)象，特別是在雨季尤為常見。其所帶來的危害和損失全球每年以千億美元來計(jì)。雷擊分為直接雷擊和間接雷擊，間接雷主要包括傳導(dǎo)雷和感應(yīng)雷。由于直接雷所帶來的能量沖擊非常大，破壞力極強(qiáng)，一般電源是無法承受的，故這里主要討論的是間接雷型。
雷擊所形成的浪涌沖擊是一種瞬態(tài)波，屬于瞬變干擾，可以是浪涌電壓，也可以是浪涌電流。沿著電源線或其他路徑（傳導(dǎo)雷）或通過電磁場（感應(yīng)雷）而傳送至電源線路。其波形特征是先快速上升然后慢慢下降。這種現(xiàn)象會(huì)對電源產(chǎn)生致命的影響，其產(chǎn)生的瞬間的浪涌沖擊遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般電子器件的電性應(yīng)力，導(dǎo)致的直接結(jié)果是電子元件損壞。
6、電網(wǎng)電壓超出電源負(fù)荷
當(dāng)同一個(gè)變壓器電網(wǎng)支路配線太長，支路中有大型動(dòng)力設(shè)備時(shí)，在大型設(shè)備啟停時(shí)，電網(wǎng)電壓會(huì)劇烈波動(dòng)，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)不穩(wěn)。當(dāng)電網(wǎng)瞬時(shí)電壓超過310 VAC時(shí)有可能損壞驅(qū)動(dòng)器（即使有防雷裝置也無效，因?yàn)榉览籽b置是應(yīng)對幾十微秒級別的脈沖尖峰，而電網(wǎng)波動(dòng)可能達(dá)到幾十毫秒，甚至幾百毫秒）。因此，路燈照明支路電網(wǎng)上有大型電力機(jī)械時(shí)要特別注意，最好監(jiān)測下電網(wǎng)波動(dòng)幅度，或者由單獨(dú)電網(wǎng)變壓器供電。
作為LED電源的一種，LED路燈電源是目前國內(nèi)照明市場中重要的組成環(huán)節(jié)，正在逐漸取代傳統(tǒng)道路照明模式。就目前的路燈電源市場情況來看，高頻率、高可靠性逐漸成為諸多新產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)所重點(diǎn)關(guān)注的兩個(gè)方向。下文為大家總結(jié)了三種平時(shí)比較常見的LED路燈電源設(shè)計(jì)方案，并將其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。
首先要為大家分享的LED路燈電源方案，是一種間接AC輸出，對于6串LED辨別做恒流掌握的設(shè)計(jì)方案。這種設(shè)計(jì)思路是目前市面上頻率最高、通路利潤最低的設(shè)計(jì)方案，其電路設(shè)計(jì)圖如下圖圖1所示。從圖1中可以看到，在這種LED電源方案中，間接用光電嚙合器對于高級側(cè)通路停止回溯掌握，調(diào)理輸入電壓。相比較此前國內(nèi)應(yīng)用的一些照明方案來看，該方案的電門消耗少。將CS的電壓流動(dòng)正在0.25V，對于6串LED辨別做恒流掌握。IC會(huì)偵測FB的地位，將電壓最低那串LED流動(dòng)正在0.5V。這是因?yàn)楦鞔甃ED的Vf值的總數(shù)是不一致的，發(fā)生的壓降會(huì)落正在MOS管上并會(huì)招致一些消耗。假如是正常對于Vf分BIN挑選當(dāng)時(shí)的LED，消耗該當(dāng)能夠掌握正在2%以內(nèi)，少于正常的電門消耗。
與傳統(tǒng)的路燈照明設(shè)計(jì)方案相比，這種新型方案的優(yōu)勢是頻率高、利潤低，適用于能夠用AC間接輸出的路燈。相對應(yīng)的，這一方案最大的問題就在于AC輸出需求較多的研制利潤。
接下來要為大家分享的第二種LED電源方案是一種DC或者電池組輸出，對于6串LED辨別做恒流掌握的路燈照明設(shè)計(jì)。該方案中主要采納多串的升溫構(gòu)造設(shè)想，其本身的LED驅(qū)動(dòng)形式與第一種方案相類似，而二者之間的主要不同則在于由AC輸出改為DC或者是由電池組輸出，該方案的電路設(shè)計(jì)圖紙如下圖圖2所示。
從圖2的設(shè)計(jì)圖中我們可以看到，在這一電源系統(tǒng)中，高壓側(cè)傳感如要滿足照明需求，則需取舍恰當(dāng)?shù)腗OS管，在選對場效應(yīng)管的前提下LED能夠串相等多的照明顆數(shù)。絕對于于AC輸出的計(jì)劃，這種設(shè)計(jì)方案是比較容易的，但是因?yàn)樵谶@一電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中多了一次升溫的電門，頻率絕對于較低。與第一種方案相比，該種設(shè)計(jì)方案的長處是構(gòu)思容易、通路利潤低，其缺點(diǎn)是頻率較低。該方案在實(shí)際應(yīng)用中更適合夜間照明的月光電池組或者經(jīng)過適配重輸出的路燈。
單串降壓構(gòu)造的LED路燈電源，是我們要為大家分享的第三種比較常見的設(shè)計(jì)方案。這種設(shè)計(jì)方案的電路系統(tǒng)圖紙如下圖圖3所示。作為一種能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)的方案，該方案的改動(dòng)比較簡單，然而其美中不足之處在于每一串都需要一個(gè)獨(dú)立的電源模塊，相比較前兩種方案來看生產(chǎn)利潤較高，而降壓的構(gòu)造會(huì)讓LED的數(shù)目受只限IC的耐壓。從圖3中可以看到，在這一電源系統(tǒng)中的LED至多串到14顆，假如要設(shè)想20W的燈條，就需求運(yùn)用700mA的LED。為了使頻率到達(dá)最高，必須對準(zhǔn)于LED的數(shù)目來調(diào)理輸出電壓，也就是
與上文中所介紹的兩種方案相比，這一LED電源設(shè)計(jì)方案的長處是降壓構(gòu)造頻率較高、單串設(shè)計(jì)和配置的靈敏度比較高，宜經(jīng)過適配重輸出的路燈。其缺點(diǎn)則是通路利潤較高，且在設(shè)計(jì)的過程中LED并聯(lián)數(shù)目受限于IC耐壓。
LED電流的大小直接影響著使用壽命，建議降額使用，因此盡量控制小點(diǎn)，特別是LED散熱效果不好的話，LED一定要留足余量。
這主要針對內(nèi)置電源調(diào)制器的高壓驅(qū)動(dòng)芯片。假如芯片消耗的電流為2mA，300V的電壓加在芯片上面，芯片的功耗為0.6W，當(dāng)然會(huì)引起芯片的發(fā)熱。
驅(qū)動(dòng)芯片的*電流來自于驅(qū)動(dòng)功率MOS管的消耗，簡單的計(jì)算公式為I=cvf(考慮充電的電阻效益，實(shí)際I=2cvf，其中c為功率MOS管的cgs電容，v為功率管導(dǎo)通時(shí)的gate電壓，所以為了降低芯片的功耗，必須想辦法降低c、v和f，如果c、v和f不能改變，那么請想辦法將芯片的功耗分到芯片外的器件，注意不要引入額外的功耗。
功率管的功耗分成兩部分，開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。要注意，大多數(shù)場合特別是LED市電驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，開關(guān)損害要遠(yuǎn)大于導(dǎo)通損耗。開關(guān)損耗與功率管的cgd和cgs以及芯片的驅(qū)動(dòng)能力和工作頻率有關(guān)，所以要解決功率管的發(fā)熱可以從以下幾個(gè)方面解決：
1、不能片面根據(jù)導(dǎo)通電阻大小來選擇MOS功率管，因?yàn)閮?nèi)阻越小，cgs和cgd電容越大。如1N60的cgs為250pF左右，2N60的cgs為350pF左右，5N60的cgs為1200pF左右，差別太大了，選擇功率管時(shí)，夠用就可以了。
2、剩下的就是頻率和芯片驅(qū)動(dòng)能力了，這里只談?lì)l率的影響。頻率與導(dǎo)通損耗也成正比，所以功率管發(fā)熱時(shí)，首先要想想是不是頻率選擇的有點(diǎn)高。不過要注意，當(dāng)頻率降低時(shí)，為了得到相同的負(fù)載能力，峰值電流必然要變大或者電感也變大，這都有可能導(dǎo)致電感進(jìn)入飽和區(qū)域。如果電感飽和電流夠大，可以考慮將CCM(連續(xù)電流模式)改變成DCM(非連續(xù)電流模式)，這樣就需要增加一個(gè)負(fù)載電容了。
這個(gè)也是用戶在調(diào)試過程中比較常見的現(xiàn)象，降頻主要由兩個(gè)方面導(dǎo)致。輸入電壓和負(fù)載電壓的比例小、系統(tǒng)干擾大。對于前者，注意不要將負(fù)載電壓設(shè)置的太高，雖然負(fù)載電壓高，效率會(huì)高點(diǎn)。
對于后者，可以嘗試以下幾個(gè)方面：
1、將最小電流設(shè)置的再小點(diǎn);
2、布線干凈點(diǎn)，特別是sense這個(gè)關(guān)鍵路徑;
3、將電感選擇的小點(diǎn)或者選用閉合磁路的電感;
4、加RC低通濾波吧，這個(gè)影響有點(diǎn)不好，C的一致性不好，偏差有點(diǎn)大，不過對于照明來說應(yīng)該夠了。無論如何降頻沒有好處，只有壞處，所以一定要解決。
相同的驅(qū)動(dòng)電路，用a生產(chǎn)的電感沒有問題，用b生產(chǎn)的電感電流就變小了。遇到這種情況，要看看電感電流波形。有的工程師沒有注意到這個(gè)現(xiàn)象，直接調(diào)節(jié)sense電阻或者工作頻率達(dá)到需要的電流，這樣做可能會(huì)嚴(yán)重影響LED的使用壽命。
所以說，在設(shè)計(jì)前，合理的計(jì)算是必須的，如果理論計(jì)算的參數(shù)和調(diào)試參數(shù)差的有點(diǎn)遠(yuǎn)，要考慮是否降頻和變壓器是否飽和。變壓器飽和時(shí)，L會(huì)變小，導(dǎo)致傳輸delay引起的峰值電流增量急劇上升，那么LED的峰值電流也跟著增加。在平均電流不變的前提下，只能看著光衰了。
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