LED日光灯电源方案

LED日光灯电源报告人：窦亮亮中国计量学院骏欣铝基板目录一、LED日光灯目前所存在的问题二、LED日光灯三种方案优缺点分析三、内置式LED日光灯实例骏欣铝基板LED日光灯目前存在的问题一.驱动电源的恒流驱动问题。目前大部分恒流源大都是总恒流，也就是多个并联灯串共用一个恒流源。因为LED灯珠之间阻值的差异性，所以每串灯的电流大小不同，任何一颗LED灯出现故障，都会影响其它灯串的电流，这样电流大的那些灯串光衰更严重，其使用寿命也会大大减短。）骏欣铝基板LED日光灯目前存在的问题二.散热问题这是LED日光灯管的使用寿命的核心问题之一。因目前各厂家大都采用内置电源，以直接可以更换到荧光灯管支架上，这样整个电源所散发的热量和LED本身散发的热量都在一个铝外壳上散热，并且都在日光灯管内，严重影响电源的使用寿命。骏欣铝基板LED日光灯目前存在的问题三.电源模块中电解电容使用寿命问题。即使采用超长寿命电解电容，在高温的情况下工作，它的寿命也无法与LED的寿命相平衡。怎样来提供良好的工作温度，以达到最理想的使用寿命。骏欣铝基板LED日光灯目前存在的问题四.电源模块的不稳定性和产品安全性认证能否通过的问题。目前市场上大部分厂家采用的是高压的非隔离方案，和反激式开关电源方案，因为内置体积十分有限（要放进灯管内），所以一般在设计时，很难把电源做到稳定。并且目前各个国家对安全认证方面都比较严格，对于高电压的电源供电的安全认证方面比较难通过。骏欣铝基板LED日光灯电源方案LED日光灯的电源分为内置式和外置式两种。所谓内置式就是指电源可以放在灯管内部。这种内置式的最大优点就是可以做成直接替换现有的荧光灯管，而无需作任何改动。所以内置式的形状都是做成长条形，以便塞进半圆形的灯管中去。下面先介绍两种内置式，非隔离型和隔离型。骏欣铝基板非隔离内置式非隔离是指在负载端和输入端有直接连接，因此触摸负载就有触电的危险。目前用得最多的是非隔离直接降压型电源。也就是把交流电整流以后得到直流高压，然后就直接用降压(Buck)电路进行降压和恒流控制。其电原理图如下图所示：骏欣铝基板非隔离内置式非隔离内置式NTC热敏电阻：当电源开启瞬间，要对C5充电，由于瞬间电流大，加RT1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小（RT1是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。EMI：C1、L1组成EMI滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。骏欣铝基板PFC电路传统桥式整流滤波传统桥式整流与大容量电解电容滤波电路如图1（a）,由于整流二极管具有单向导电性，只有在AC线路电压瞬间值高于电容电压时才有电流流过，致使AC输入电流发生严重失真，电流导通角仅约为60.如图1（b）骏欣铝基板PFC电路PFC在AC线路电压较高时，由于二极管D6，电容C1和C2以串联方式充电，AC电压高于C1C2电压时，线路电流通过负载；当线路电压幅值降至每个电容的充电电压以下，D6反向偏置，C1C2以并联方式放电，此时AC电流不再向负载供电骏欣铝基板倍容式纹波滤波器在射极输出器的基极接一个电容C4，由于基极电流只有涉及电流的1/（1+β），相当于在发射极接了一个大电容。在基极到地再连接一个稳压管，就可以组成一个简单的串联稳压器骏欣铝基板降压稳压非隔离内置式这种非隔离式电源的主要技术特点：从18V到450V的宽电压输入范围，恒流输出;采用频率抖动减少电磁干扰;可用线性及PWM调光，支持上百个0.06WLED的驱动应用；工作频率25KHz-300KHz，可通过外部电阻来设定。骏欣铝基板非隔离内置式优点：简单、指标高，它的输出电流可以按LED串并联的个数决定。缺点：输出电流不能太大，输出电压也不能太高。例如：288个小功率LED连接成24个串联，12串并联，每串20mA，一共240mA。体积也可以做得很小，通常是做成长条形的，以便放进T10或T8的管子里。假如每串的电流是30mA，12并就是360mA。在有些非隔离的电源中就无法实现，为了保持总电流240mA不变，就只能改成8串并联。但假如LED的总数不变，就要求串联的数目增加到36个。这时候总电压就会增加到108V。但是通常这种非隔离恒流源的允许的最高输出电压不超过80V。只能维持原来的24串，这样LED的总数就只能是192颗，即使采用30mA，其总流明数有可能不能满足要求。骏欣铝基板非隔离内置式非隔离内置式通常其效率大约在88-90%之间，功率因素大约在0.88-0.92之间。然而这种非隔离电源也有一些局限性，因为非隔离的电源会把交流电源的高压引入到负载端，从而引起触电的危险。通常LED和铝散热器之间的绝缘靠铝基板的印制板的薄膜绝缘。虽然这个绝缘层可以耐2000V高压，但有时螺丝孔的毛刺会产生所谓的爬电现象，使得难以通过CE认证。骏欣铝基板隔离内置式隔离式是指在输入端和输出端有隔离变压器隔离，这种变压器可能是工频也可能是高频的。但都能把输入和输出隔离起来。可以避免触电的危险。这种隔离式的日光灯电源原理图如下图所示。骏欣铝基板隔离内置式隔离内置式对反激式开关电源而言，每当功率开关管(MOSFET)由导通变成截止时，在开关电源的一次绕组上就会产生尖峰电压和感应电压。其中的尖峰电压是由于高频变压器存在漏感(即漏磁产生的自感)而形成的，它与直流高压UI叠加在MOSFET的漏极上，很容易损坏MOSFET。为此，必须在增加漏极钳位保护电路，对尖峰电压进行钳位或者吸收。当S1关断时，漏感LK释放能量，D导通,C上电压瞬间充上去，然后D截止，C通过E放电。骏欣铝基板一般来说，由于加入了变压器，所以隔离式电源的效率会有所降低，通常大约在88%左右。而且变压器的体积也比较大。放进T10灯管还可以，但是放进T8的灯管就比较紧张。骏欣铝基板隔离内置式内置式电源优点内置式电源的最大优点就是能够直接替换现有采用电感镇流器的荧光灯，而不需要拆去任何东西。现有荧光灯的电源分两种，如图所示：骏欣铝基板内置式电源优点最普通的荧光灯的起辉是采用一个串联的铁芯电感和一个并联的起辉器。在直接替换时，只要拔掉起辉器就可以了。但是由于铁芯电感仍然串联在电路中，所以它仍然带来将近6.4-10W的损耗，结果使得这部分的额外损耗大大降低了LED的节电功效。例如，本来一个18W的LED日光灯可以取代一个36W的荧光灯，不论采用上述非隔离式还是隔离式的电源，其效率至少为88%以上，那么其输入功率为20.45W，现在还要加上这个额外的6.4W，使得输入功率变成26.85W，其总效率也就降低为67%，骏欣铝基板内置式电源优点不仅如此，由于电源内置，电源的热量也就加入到管内，假定电源的效率为88%，所以就有2.45W的热量也要散去，假定LED本身的发光效率为30%，也就是有70%的电功率变成热量，相当于12.6W的电功率变成热量，现在还要再加上内置电源的2.45W的热量，相当于增加了20%的热量。其实所增加的这部分热量还不至于缩短太多的寿命(20%左右)，然而把电源放到管子里面，电源本身就要承受由LED产生的很高的环境温度，这就大大降低了电解电容的寿命，也就降低了整个灯具的寿命。骏欣铝基板内置式电源优点假如原来采用的是电子镇流器，那么直接替换所产生的问题就更麻烦了。因为这时候加在日光灯两端的是一个高频高压。必须先用整流器变成直流高压，再用降压恒流源去驱动LED。这时候的效率将变成前面电子镇流器的效率和后面的降压恒流源效率的乘积，就可能连70%都不到。骏欣铝基板集中式外置电源为了得到最高的性能最好采用集中式外置电源。因为目前推广LED日光灯的主要场所是政府机关、办公室、商场、学校、地下停车库、地铁等场所，往往一间房间采用不止一个日光灯，可能在10个以上。这时候就应该采用集中式的外置电源。所谓集中式是指采用一个大功率的AC/DC开关电源，统一供电，而每个日光灯则采用单独的DC/DC恒流模块。这样可以得到最高的效率和最大的功率因素。骏欣铝基板集中式外置电源集中式外置电源现在大功率的AC/DC开关电源的效率很容易做到95%,功率因素可以做到0.995。而降压式的DC/DC恒流源的效率也可以做到98%。这样总效率可以做到93.1%。这时的性能可以做到最高。骏欣铝基板集中式外置电源集中式供电的优点是显而易见的。而且，它还是一种隔离式电源，在灯管处没有220V高压，只有低于36VDC的直流低压，也是符合安全使用的条件。另外，这种结构也很容易实现各种调光方案，例如手动调光，光敏调光，只要把调光控制信号送到各个DC/DC恒流模块就能实现。其具体的方框图如图所示。骏欣铝基板骏欣铝基板集中式外置电源LED灯管结构1.全塑灯管，早期的LED日光灯采用的是全塑灯管，因为主要采用非隔离式电源，为了避免触电问题，所以更希望采用全塑灯管。里面采用的是φ5的草帽管LED。但是很快就证明了这种日光灯的光衰很严重，寿命非常短，由于把热量全部封死在管内，根本无法散出去，再加上草帽管本来寿命就短，当然不可能长寿命。骏欣铝基板LED灯管结构2.半塑半铝管，在发现了散热问题以后，就想到采用半塑半铝的方案。在需要透光的那一半采用塑料，在不需要透光而需要散热的那一半就采用铝合金。电源当然是放在铝管里面。看来问题似乎是解决了。然而因为LED日光灯的功率通常在20W左右，它的发热量还是相当大的。半根铝管并不能解决它的散热问题。所以又提出另一种散热的铝管结构。3它把电源放到管外，从而可以把半边铝壳完全做成散热器。扇骨形铝管采用扇骨形状的散热结构，大大增加了散热器面积。相对于半圆形的铝管来说，它的散热面积至少增大了3倍以上。再加上电源不放在管内，又可以减少热量，这就大大延长了LED的寿命。骏欣铝基板一种LED商业照明方案LED日光灯商业照明解决方案的设计理念就是给LED一个适应的工作环境，充分发挥它本身的节能、环保、寿命长等特性。输出驱动电压选择外置式集中供电电源。电源模块采用外置天关48V或36V稳压供电，另外在每并联灯串上串联一个NU501芯片，实现每路LED灯串电流恒流（也就是路路恒流的概念）。特点：基于串并联安全考虑出负载合适的驱动电压值,尽量统一电压值减小电源设计规格成本；从解决LED照明市场大规模上量的技术和品质问题考虑。骏欣铝基板集中式外置电源采用集中式外置电源，即多根灯条共用一个开关电源，一般一个300W的外置开关电源零售价在100元左右，带T860CM8W灯管36根，平均每根电源模块成本只有2.5元~2.8元.骏欣铝基板内置式LED日光灯电源设计方案三种类型：基于恒流芯片的驱动方案；基于开关电源的恒流驱动器方案；隔离驱动方案；骏欣铝基板非隔离内置式驱动方案采用开关电源控制模式的恒流驱动器VIPER22VIPer22A器件是STMicroelectronics公司生产的低功耗离线式电流型脉宽调制单片开关电源集成电路。主要特点•9-36V宽电压输入范围；•内部集成了专用电流型PWM控制器•内部集成高压功率MOSFET,•60kHz固定频率振荡器•过压、过流、过温保护等电路。采用此器件的开关电源与同类单片开关电源相比,具有电路设计简单、输入扰动响应快、应用灵活、成本低廉、保护功能更加完善等优点。骏欣铝基板非隔离内置式驱动方案电源脚(VDD):此引脚电压的可用范围为8V～42V,这一功能使变压器的辅助电源设计更为简单。为了保证电源更为可靠,起动开启阈值典型值应为14.5V,并可在8V关闭。源极(SOURCE):功率MOSFET的源极与电路的原边地。漏极(DRAIN):功率MOSFET的漏极,同时也可用于内部高压电流源和充电。最高耐压为730V。反馈脚(FB):用于扩展0～1V反馈控制电压范围,同时可限定MOSFET的漏极电流峰值。非隔离内置式驱动方案基本工作原理•过压保护：当VDD电压高于内部42V电压基准时,误差放大器会输出一个过压关断的停止工作信号给RS触发器。•过流保护：如右图所示。图中,功率MOSFE