LED驱动电源的选择和设计原则.docx
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LED驱动电源的选择和设计原则
LED驱动电源的选择和设计原则
LED驱动电源的选择和设计原则
对于LED灯具生产商来说，LED灯珠及灯组的选择本身就相当复杂和微妙，但LED驱动电源的选择却更加令人困惑，有些模糊不清的术语就连专家都莫衷一是。
在选择LED驱动电源方案供应商或供应商时，需要考察哪些方面，询问哪些问题呢？
对于正在对照明行业进行革命性转变的LED照明来说，变化速度可谓惊人不已，如何才能擦亮眼睛做出正确选择呢？
问题1：
恒压还是恒流？
LED灯组主要有两种类型：
使用恒压电源（CV）驱动和使用恒流电源（CC）驱动。
这两种不同种类的LED灯组内部结构有着本质区别。
恒压灯组内有限流器件，避免电流过高造成LED过热。
这些器件可能是普通的电阻器，或者恒流电阻器（CCR），后者是一种新型半导体限流器件。
甚至可能是某种类型的开关调节器，其效率最高但也是最贵的限流器。
相反，恒流LED灯组则采用串联LED连接，也可能将灯串再并联的结构。
如果仍在选择LED灯组的阶段，对于灯槽等使用因不能准确知道采用多少个LED灯串而无法确定吸收电流的准确值，因此恒压（CC）比较适用。
如果LED灯组是恒压变化，则对于固定的输出电压，就有一个固定的电流范围。
确保驱动电源提供正确电压，允许的输出电流范围能够包含LED负载的吸收电流。
如果知道吸收电流的准确值，则最好要选择恒流型驱动电源，因为这通常是最高效的方案。
如果LED灯组需要恒定电流，那么就选用恒流LED驱动电源。
这种驱动电源会有一定的驱动电压范围，即最低电压和最高电压。
需要确保LED灯组的电压要求位于这个允许范围之内。
调光的重要性：
视觉感知和能耗
为了考察哪些功能最为重要，我们先讨论一下人体感知问题。
人眼能够注意到的光变化量和已经看到的光量相关。
LED灯的光输出和流经LED的电流大概成正比关系。
因此，调光至50%几乎很难被人眼觉察，调光至10%只是调光器的几度而已。
如果需要明显的视觉调光效果，则需要能够调光至1%（相比而言，电影院需要调光范围低至0.1%）。
这并不意味着高于1%的调光没有作用，事实正好相反。
如果LED灯调光至10%，就能节能90%的能耗。
这个节省量是相当显著的。
因此，结论是任何程度的调光对于能耗都是值得的。
相比而言，如果需要微光照明的房间或剧院，则驱动电源必须能够调光至1%以下，直至0.1%。
频闪争论：
太多是多少？
人眼对闪烁的反应可以追溯到我们的穴居祖先。
一佰万年前，如果我们的祖先从眼角处感受到捕食者的动静，他们就有机会逃走并生存下来来。
我们都遗传了他们能够感测远处细微运动的特质。
因此，我们对于光线在低频（低于20Hz）范围内极小变化非常敏感。
相比而言，我们的祖先从经受过高频光线波动（高于120Hz），所以我们的眼睛对于此类波动的敏度程度相对较弱。
事实上，大多数人根本感觉不到这种波动。
在照明领域，频闪的定义是光（或者LED电流）波动的百分比，为线路频率的两倍，表示为LED稳定光（或直流电流）的百分比。
20年前，大多少商用和工业照明都采用磁性镇流器驱动的荧光灯管。
这种光源在电源线电压周期峰值附近产生强闪光，所以整个光输出是由一系列闪光构成，其频率为电源线路频率的两倍。
据发现，即使大多数人无法感测这种波动，部分人在这种光线下会出现头疼和其他紧张症状。
为了消除磁性镇流器的频闪问题，开发出的电子镇流器能将频闪降低到2%以下，从此不再出现这种抱怨，因此2%频闪很快成为优质照明质量的行业标准。
人们仍在争论的问题是这种频闪并非仅是频闪。
现代的LED灯具如果存在频闪的话，很可能是120Hz波动内含有平滑的交替变化，频率为线路频率的两倍。
即使这种频闪接近100%，所产生的频闪也比磁性镇流器低得多。
为验证这种说法，过去在磁性镇流器上所做的大量频闪影响研究需要在LED照明上重新进行。
同时为了安全起见，建议在重要和办公室LED照明中驱动电源的输出120Hz纹波应低于10%，对于LED装饰照明（筒灯、壁灯等）则可以接受高达100%的频闪。
目前大多数路灯都是采用磁性高强度放电电源驱动，实质上存在100%频闪，因此可以推论这种室外照明中可以接受高达100%的频闪。
调光方式及产生的频闪
LED驱动电源输出中的纹波百分比（两倍于线路频率）对应于光输出中的频闪。
很多LED驱动电源通过以很高的频率（通常为数百赫兹，有时为千赫兹量级）开关而产生调光。
人眼对于这种高频完全毫无觉察，只是感知到较少的光线。
这叫做脉宽调制调光（PWM）或者数字调光。
然而，需要明白有些可调光LED驱动电源仅以两倍于线路频率对光线进行开关。
在较低调光水平上，结果可能是类似于老式磁性镇流器的光输出效果，频闪可能很容易被觉察。
此外，如果使用可控硅（TRIAC）调光器无法在正负半周期均匀调光，则可能向PWM引入容易觉察的线路频率分量。
有些LED驱动电源产生恒定的直流电平，将其向下调节从而产生调光效果。
这种方法有时称为模拟调光。
对于重要场合及办公室照明来说，这是最为省心的调光方法，但成本会高于数字调光。
LED驱动电源响应时间检查
大多数LED驱动电源的规格书都会掩盖响应时间问题。
为了感受LED驱动电源的响应时间如何，最好要实测验证。
需要查看的方面包括：
A）驱动电源打开和关闭时无异常
关闭时光线应直接减少至零，其他任何情况都会被一般人感测为频闪。
光线不能在延迟一段时间后再恢复。
驱动电源关闭后，不能保持微亮几秒钟甚至几分钟。
再打开驱动电源时，光线应在一秒或更短时间内稳定，亮度变强方式应稳定。
如果是调光驱动电源，打开时应为全调光而不能是其他调光水平，然后在降低至所需的调光水平。
打开时不能有闪烁效果。
B）响应时间：
在产品设计过程中，在输出的频闪量和调光输出响应时间之间需要进行折衷。
理想状态下，频闪不应被感知，而且在调光器接到命令后的输出应非常迅速，让人感觉到即可发生。
一般来说，两秒钟延迟是更高质量光输出（低频闪）的一个不错折衷。
C）调光深度：
这个参数通常会在LED驱动电源规格书中回避，应比较不同的调光器来选择不同结果。
D）调光性能一致性：
在评估调光驱动电源时，尝试从全亮快速调至全暗，然后在返回。
然后再快速打开再关闭，观察是否有异常情况发生。
LED驱动电源的寿命
如果LED灯组的温度合适控制，则应该在5万小时后仍能维持初始光输出的70%以上。
显然，希望LED驱动电源能够达到同样的寿命。
LED驱动电源的寿命由内部称为电解电容的器件所决定的。
电解电容就像小电池，其内部的电解质会在器件的寿命期内逐渐蒸发。
蒸发速度决定于驱动电源内部温度，因而和驱动电源容器的外部温度相关。
LED驱动电源标签上会有一个名为“热区”的小圆圈，或者为Tc点。
这个区域通常是容器上的最热点，用于决定容器温度。
制造商会规定一个让产品UL认证保持有效的最高温度。
但是要明白，如果驱动电源接近这个极限温度，其工作寿命通常会比低温状态下短。
驱动电源制造商会提供驱动电源寿命和热区温度之间的关系曲线，下图是典型LED驱动电源的温度寿命曲线：
LED驱动电源的温度寿命曲线
驱动电源最长寿命（年）（24小时工作）
为确保电解电容的寿命在必需温度下超过LED灯组的寿命，制造商必须采用长寿命的电解电容。
电力线质量：
了解THD、PF和宽输入电压
在LED驱动电源的规格书中会有一些术语，比如THD、PF和宽输入电压。
这些概念解释如下：
总谐波失真（THD）：
理想的LED驱动电源从电力线上吸收电流，形状为完美正弦即为零THD。
然而，LED驱动电源内部的功率处理会造成功率吸收不均匀，在电力线的电流波形中产生扭曲和失真。
真正关心THD的机构只有电力公司和建筑物的物业公司。
在失真线路电流波形的谐波频率方面，可以方便地分析电力线失真。
例如，在美国三阶谐波对应180Hz，这个谐波对于建筑的物业公司非常重要，因为电力公司通常通过四线向大楼供电，一根为中性线，其中承载的电流很小。
但是，如果大楼吸收电流内的三阶谐波在中性线内累积，有大量照明电子设备的THD指标很差，尤其是很高的三阶谐波，则中性线可能发生过载发热。
历史上有很多著名案例，因大楼内的磁性镇流器产生过量三阶谐波造成中性线过热而导致大楼火灾。
目前，THD低于20%通常是可以接受的，低于10%的THD则为特优性能。
在个人家庭中THD几乎没有什么作用，因为家庭中照明不可能成为功耗的主要部分，不像商业或工业建筑中那样照明会有很大影响。
功率因数（PF）：
对于正弦电压和电流波形，其定义为LED驱动电源所吸收的功率除以所施加电压和所吸收电流之积。
对于失真电压和电流，一般定义为如果吸收电流和线路电压同相，则功率因数接近一致，随着吸收电流逐渐不再跟随电压波形而逐渐降低。
传统的功率因数标准为0.9及以上。
低于此值都有产生问题的可能性。
如果不提及功率因数，则默认值称为普通功率因数，这是功率因数低于0.9的委婉说法。
在某些情况下，某些廉价的照明产品中有可能低至0.4。
对于消费者家庭来说，几只普通功率因数的灯泡可能无关紧要。
但如果要在工业或商业大楼内安装大量普通功率因数的产品时，则要仔细思量了。
不同种类的产品从电源线中吸收电流可能会和电源线路电压不同相。
例如，空调风扇感应电动机的电流在主电压的每个半周期内的增加需要一段时间，因此当线路电压达到峰值时，电动机吸收的电流仍在上升，吸收电流可能比正弦波更优或更差，但在交流电力线周期的任何一点，电动机吸收的电流总比电力线电流滞后。
这叫做滞后功率因数。
如果耗用电流和电力线限压完全同相，则功率因数即为一致（1.0）。
如果耗用电流和电力线电压相位相差90度，则即使线路电压为零时也有电流流动，电力公司需要更强的电缆来为这个客户提供服务。
在商业和工业大楼内，这种服务很可能要额外收费。
在另一个极端，很多LED驱动电源内部都有电容器，其耗用电流和电力线电压的变压速率成正比。
这就造成驱动电源吸收的电流超前于电力线电压，这就叫做超前功率因数。
从电力公司的角度来说，不希望有任何形式的低功率因数，尤其是相邻的客户分别有超前和滞后功率因数，理论上会产生所谓的共振效应，这会造成大的有害电压波动。
所以，工业和商业大楼内如果功率因数较低，都有可能要向电力公司缴纳额外费用。
LED驱动电源能够具备好的功率因数和差的THD或者相反吗？
一般经验表明，功率因数和THD相辅相成，差的THD意味着差的功率因数。
但在理论和实际中也有可能一个指标很好，而另一个指标较差。
例如，白炽灯的THD非常完美，但端子上跨接一个大电容，使其功率因数很差。
另一个极端是，LED驱动电源可能从电力线上吸收方波电流而非正弦电流，和电力线电压的相位完美同相，其功率因数很好但THD很差。
宽输入电压：
在美国，大多数商业和工业照明使用277V，而消费和零售照明大多数使用120V。
能够同时在两种电压上使用的LED驱动电源称为具有宽电压输入功能，这种自适应是完全自动的而且可逆的。
照明OEM经销商希望库存宽输入电压产品，这样就不用担心需要哪种电压。
采用哪种EMI标准？
在美国，LED驱动电压需要满足CFR47Part15的要求。
有两个标准：
ClassA设备适用于商业和工业使用，ClassB设备产生更低的干扰水平，比如可以在电视机附近使用。
对于消费者使用来说可能靠近电视机，会需要更严格的ClassB标准，包括放射辐射测试，然而极少LED驱动电源按照ClassB标准进行认证。
对于ClassA设备来说允许LED驱动电源制造商自认证，但更严格的ClassB测量则要由许可测试实验室进行，费用会更高。
在欧洲使用的是CISPR15标准。
应了解的是CISPR15标准中产品输出中对于传导辐射的测试是可选的，仅在LED负载远离驱动电源安装时才会需要。
对于任何一种，产品都可公布为符合CISPR15。
要查找产品是否经过输出辐射测试，唯一办法是索要认证文件副本。
采用哪种环境标准？
环境坚固度通常用IP等级表示，其中第一位数字表示机械保护等级，范围从0到6（0为铁丝网；6为不可穿透的容器）。
第二位数字表示防水等级，范围从0（无保护）到8（适合永久性水下工作）。
所有密封容器都可以达到机械等级6，即使密封并未焊接。
但是，IP65表示产品可以承受所有方向的低压水喷射。
实际上，极少使用需要这种等级。
如果LED驱动电源用在灯具内部，而灯具安装位置为建筑物外部某个突出部分下方，则IP61就足够了，因为虽然会有凝结水，这种水不会被强制进入产品容器内部。
没有必要选择高于需要的高IP等级，因为大多数情况下这会增加不必要的成本。
幸运的是，在容器内使用非常廉价的灌封材料沥青进行填充，能为几乎所有LED驱动电源实现环境等级IP67（短时间浸水）。
但是，在美国使用沥青灌封相当昂贵，因为沥青在建筑物内部使用有一定毒性和危险性。
这就是IP65在中国非常便宜的驱动电源中都可以实现，因为这里的环境控制不太严格，而在美国制造的产品中却较为少见。
对于室内使用建议选用至少IP61的驱动电源，而室外灯具则至少选用IP66等级。
关于安全标准
在美国，LED驱动电源的安全标准为UL8750，而在欧洲相应的标准为IEC61347-2-13。
两种标准有一定的重叠性，但各有部分要求在内部或程度方面有些许区别。
很多现有产品可以满足两种标准。
两种标准也使用其他的相关标准来解释详细要求。
根据驱动电源所用的地区是欧洲、美国或者二者，必须有证书说明符合一种或两种标准，并有相应的标签标记来说明这种符合性。
两种标准提供防火和电击危险的基本保护，是值得信赖产品的必需之物。
在美国，输出和输入隔离的默认电气隔离标准为Class2，意味着在操作驱动电源输出时是绝对安全的。
在欧洲，相应的标准称为SELV（隔离的超低电压或安全超低电压）。
应明白的是并非在所有情况下都要有Class2隔离。
例如，位于电灯泡内的驱动电源如果LED输出用塑料材料包覆，则不需要隔离。
也有其他的隔离类别，包括无隔离，这些在UL规则中都是允许的。
例如，大功率LED驱动电源如果输出电压更高就会有更高的效率，因此LED路灯和LED高棚灯的驱动电源输出可能达到400V-500VDC。
这种驱动电源通常符合UL规定的Class1。
提供隔离意味着制造商在构造时需要投入额外成本，而且通过隔离阻碍传递能量时会降低效率。
在很多使用中的确需要如此，但并非所有使用都需要这样，比如用于替换荧光灯管的LED灯管。
荧光灯管可能隔离也可能不隔离，通常端子上的电压可达700Vrms。
美国的电工通常会在带电时更换灯管。
这些灯管的LED替换仅需要符合相同的安全标准即可。
灯座的形状不容易使手指触碰带电端子，通常为电路电压电势。
所以，这种使用中的LED驱动电源不需要进行隔离，这样可以降低成本、提高效率。
要注意的一个重要的规定是“透过灯具漏电”限制。
这项要求的原则是，当电工拿掉荧光灯的一端时，应不可能透过灯具到接地产生电力线电压的电击。
这样以来，如果LED驱动电源是非隔离的，那么LED荧光灯管替换的两个接电端子应位于灯管的同一端，即使另一端采用假的机械支持针。
这样的话就完全不可能通过灯具造成电击。
LED驱动电源设计中的折中
LED驱动电源和所有其他产品相似都有成本限制，因此必须进行折中，在选型时要清楚自己无法获得全部功能的同时还能保持最低成本。
需要考虑的这种因素如下：
1）输出纹波：
很直接的方法是制作LED驱动电源时选用两级拓扑几乎可以消除全部纹波，第一级产生稳定电压，第二级在产生输出电流。
问题是这种产品需要有两个控制芯片，两个高频变压器，所以非常昂贵。
只使用一级转换实现功率因数校正一级输出电流控制，即可大幅降低成本，其问题是功率因数校正并非那么完美，而且两倍于线路频率的纹波会引入输出，有时候纹波可以达到50%之多。
2）启动时间：
这里存在着成本和效率之间的折中。
使用大功率迅速为所有电容充电，即可实现很短的启动时间。
但是折中高功率将会一直保持，从而降低效率。
可采用器件将其关闭，但这样又会增加系统的成本。
有几项专利提供非常有效的方案来实现快速启动。
但是，需要认真考虑是否真的需要快速启动，比如大多数HID路灯需要大约一分钟时间才能启动。
因此没有必要让LED路灯在一秒内启动，因为这对路人来说没有什么分别，毕竟每天才会开关一次。
3）调光水平和效率：
虽然目前不断取得进步，但一般来说提供的调光水平越深，效率就会越低。
所能实现的标准每年都在改进。
4）成本和效率：
一般来讲，LED驱动电源可通过选用大规格开关晶体管、高频变压器的方法来提高效率。
但这样增加产品的成本。
5）宽输入电压和成本：
宽输入电压产品可以同时使用120V和277V电力线输入，这意味着包含高压输入电压和高输入电流两种工作模式。
简单来说，需要为二者同时买单。
一般来说，选择单电压产品价格会较低。
不幸的是，通常灯具OEM制造商常常不知道产品将要用在哪种电压上，因此通常会多花点钱选用宽输入电压功能。
结论
项目中选择LED驱动电源不需要太过纠结。
在评估LED驱动电源时需要遵循一些原则，并清楚了解可能遇到哪些障碍。
确定对输出的需求以后，即可在所需功能和成本之间做出折中选择。
原著PeterW.Shackle博士，为EndicottResearchGroup,Inc.分支ERGLighting顾问。
PeterShackle博士也是IEEE的高级会员及照明工程协会（IlluminationEngineeringSociety）成员。
从事照明电子产品设计二十余年，名下拥有55项已签发美国专利。
好攀登LED公司JoeZhai编译。
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