有關LED照明電源設計難題的探討

設計問題：

電解電容壽命與LED不相匹配的問題
LED燈閃爍的常見原因與處理辦法
PWM 調光對LED的壽命有何影響
利用TRIAC調光調控LED亮度的潛在問題

在LED照明電源設計中，存在以下幾個設計難題：電解電容壽命與LED不相匹配、LED燈閃爍的常見原因與處理辦法、PWM 調光對LED的壽命有何影響、利用TRIAC調光調控LED亮度的潛在問題。安森美半導體高級應用工程經理鄭宗前在文中針對這些問題的發生原因和解決方法展開論述。

4月10日，第三屆新型節能技術研討會邀請了安森美半導體的專家針對LED驅動電源的設計問題展開現場探討，研討會與75屆中國電子展同期同地在深圳會展中心五層牡丹廳舉辦。報名參會：http://www.cntronics.com/public/seminar/powersaving

電解電容壽命與LED不相匹配的問題

LED照明的一個重要的考慮因素，就是LED驅動電路與LED本身的工作壽命應該能夠相提并論。雖然影響驅動電路可靠性的因素有很多，但其中電解電容對總體可靠性有至關重要的影響。為了延長系統工作壽命，需要有針對性地分析應用中的電容，并選擇恰當的電解電容。

實際上，電解電容的有效工作壽命在很大程度上受環境溫度及由作用在內部阻抗上的紋波電流導致的內部溫升影響。電解電容制造商提供的電解電容額定壽命是根據暴露在最高額定溫度環境及施加最大額定紋波電流條件下得出的。在105°C時典型電容額定壽命可能是5,000小時，電容所實際遭受的工作應力相比額定電平越低，有效工作壽命也就越長。因此，一方面，選擇額定工作壽命長及能夠承受高額定工作溫度的電解電容當然能夠延長工作壽命。另一方面，根據實際的應力和工作溫度，仍然可以選擇較低額定工作溫度和額定壽命的電容，從而提供更低成本的解決方案；換個角度說，在設計中考慮保持適當的應力和工作溫度，可以有效地延長電解電容的工作壽命，使其更能與LED壽命相匹配。

舉例來說，安森美半導體符合“能源之星”固態照明標準的離線型LED驅動器GreenPoint?參考設計選擇了松下的ECA-1EM102鋁電解電容，其額定值為1000 μF、25 V、850 mA、2,000小時及85°C。在假定50°C環境溫度條件下，這電容的可用壽命超過12萬小時。因此，盡力使LED驅動電路工作在適宜的溫度條件并妥善處理散熱問題，就能實現LED驅動電路與LED工作壽命的匹配問題。

總的來看，如果LED驅動電路中必須使用電解電容，那就必須努力控制電容所受的應用力及工作溫度，從而最大程度延長電容工作壽命，以期與LED壽命匹配；另一方面，設計人員也應該盡可能地避免使用電解電容。

LED燈閃爍的常見原因與處理辦法

通常人眼能夠感知到頻率達70 Hz的光閃爍，高于這個頻率則不會感知。故在LED照明應用中，如果脈沖信號出現頻率低于70 Hz的低頻分量，人眼就會感受到閃爍。當然，在具體應用中，有多種因素可能導致LED燈閃爍。例如，在離線式低功率LED照明應用中，一種常見的電源拓撲結構是隔離型反激拓撲結構。以安森美半導體符合“能源之星”固態照明標準的8 W離線型LED驅動器GreenPoint?參考設計為例，由于反激穩壓器的正弦方波功率轉換并未給初級偏置提供恒定能量，動態自供電(DSS)電路可能會激活并引發光閃爍。為了避免這個問題，必須使初級偏置能夠在每個半周期部分放電，相應地，需要恰當選擇構成這偏置電路的電容和電阻的量值。

另外，即使是在使用提供極佳功率因數校正、支持TRIAC調光的LED驅動應用中，也要求電磁干擾(EMI)濾波器。由TRIAC階躍(step)引起的瞬態電流會激發EMI濾波器中電感和電容的自然諧振。如果這諧振特性導致輸入電流降至TRIAC維持電流之下，TRIAC將會關閉。短暫延時后，TRIAC通常又會導通，激發同樣的諧振。在輸入電源波形的一個半周期內，這系列事件可能會重復多次，從而形成可見的LED閃爍。為了應對這個問題，TRIAC調光的一項關鍵要求就是EMI濾波器的輸入電容極低，且這電容要能夠通過TRIAC及繞線阻抗解耦。根據? 公式，調光模塊中電容減小的話，就能夠增大諧振電路的電阻，原理上就抑制振蕩，恢復想要的電路工作。

PWM 調光對LED的壽命有何影響

LED本身的壽命很長，PWM調光并不會損及LED的預期壽命；甚至由于PWM調光幫助減小LED發熱量，實際上還能幫助延長LED預期壽命。當然，在系統設計中，需要有效地檢測及控制LED溫度，保證LED可靠工作，體現其長壽命和低維護成本的優勢。

利用TRIAC調光調控LED亮度的潛在問題

當前TRIAC調光是一種頗受市場歡迎的調光方式。TRIAC調光器最初是為白熾燈設計的，但諸如安森美半導體這樣的領先供應商也推出了支持TRIAC調光的LED驅動器，非常適合在LED照明中提供TRIAC調光。但這種方式也有其局限所在，如增加電路復雜性、影響功率因數、調光級別相對有限等問題。安森美半導體身為應用于綠色電子產品的首要高性能、高能效硅方案供應商，最新推出了用于住宅及商業LED照明應用的LED驅動器NCL30000。這器件使用臨界導電模式(CrM)反激架構，以單段式拓撲結構提供高于0.95的功率因數，故又省卻直流-直流(DC-DC)轉換段，簡化了電路。這器件即使在低電平時也提供極高能效，符合各種規范要求及整體系統光效要求。另外，這器件兼容于前沿TRIAC調光器及尾沿晶體管調光器，視乎所用的調光器，LED光輸出可調至低于2%，提供優異的調光性能。
安森美半導體近期熱推的LED驅動方案

安森美半導體近期推出了幾款重要的高能效GreenPoint? LED驅動器參考設計，分別是：

1) 3W至5 W LED驅動器參考設計方案。這參考設計采用適合MR16 LED替代的尺寸及特性配置，經過了精心構建及測試，用于 驅動高亮度LED。這參考設計基于降壓-升壓型拓撲結構，使用安森美半導體的非隔離型恒流配置、工作在約150千赫茲(kHz)頻率的NCP3065開關穩壓器。這參考設計電路適合軌道照明、汽車照明及景觀照明等12 Vac或12 Vdc應用，不論輸入線路及輸出LED電壓如何變化，均提供平坦的電流穩流。這參考設計還提供獨特的自動檢測電路，支持12 Vdc或12 Vac電源輸入，同時維持目標輸出電流。

2) 隔離型8 W恒流LED驅動器GreenPoint?參考設計方案。這參考設計是為期望符合美國 “能源之星”(ENERGY STAR?)住宅照明應用1.1版固態照明(SSL)要求的設計人員而設，同樣經過了精心構建及測試，用于驅動便攜臺燈、櫥柜內照明及戶外走廊燈等應用中的1到8顆大功率LED。這參考設計采用新穎的電路配置，無須增加額外的無源功率因數校正(PFC)網絡，即可在115 Vac條件下提供高于0.85的功率因數，減少了元器件數量，并輕松滿足住宅LED應用功率因數要求。這設計支持90 Vac至265 Vac的通用輸入電壓工作，采用安森美半導體集成了固定頻率電流模式控制器和700 V? MOSFET的NCP1014開關穩壓器集成電路(IC)。

3) 針對離線式高功率因數TRIAC調光LED驅動器的GreenPoint?參考設計。這參考設計采用了NCL30000這關鍵器件，旨在用于美國“能源之星”商業及住宅照明應用。NCL30000工作溫度范圍為-40°C至+125°C，確保能用于大多數固態照明(SSL)應用中規定的不同環境工作范圍。NCL30000擁有典型值24微安(μA)的低啟動電流及典型值2 mA的低工作電流，配合高能效設計。NCL30000的其它關鍵特性包括可編程導通時間限制器、零電流檢測(ZCD)感測模塊、門驅動器，以及應用CrM開關電源所需的全部其它PWM電路和保護功能。

安森美半導體LED驅動設計優勢

安森美半導體提供眾多不同的LED驅動方案，用于寬廣范圍的應用：汽車、移動/便攜(手機和數碼相機的LCD背光及相機閃光)、中大尺寸的LCD屏幕(筆記本、上網本、液晶電視)的LCD背光、標志、建筑物，以及通用照明。

安森美半導體提供的產品涵蓋3種LED驅動方法：線性方案(極簡單且極少外部元件)、直流-直流(DC-DC)電感型開關轉換器(用于提供高能效及較大電流)，以及電荷泵開關轉換器(用于提供高能效及緊湊的尺寸)。

安森美半導體還提供不同的LED光輸出調制/調光方法：三端雙向可控硅開關元件(TRIAC)調光、脈寬調制(PWM)調光、模擬調光、數字調光(DALI、I2C等)。

安森美半導體的LED驅動器產品可采用不同類型的電壓源供電：從120 Vac到480 Vac(美國某些公路的電壓規格)的交流高壓、中等交流或直流電壓(如汽車中的12 Vac或12 Vdc電壓)、0.9至5 V的便攜電池。
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總的來看，無論是何種LED照明應用，無論需要何種驅動方案，無論需要何種調光方法，無論采用何種常見電源電壓供電，安森美半導體均可提供適合的LED驅動器方案，滿足客戶的不同需求。

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