解析LED照明电源设计的核心难题

在LED照明电源设计中，存在以下几个设计难题：电解电容寿命与LED不相匹配、LED灯闪烁的常见原因与处理办法、PWM调光对LED的寿命有何影响、利用TRIAC调光调控LED亮度的潜在问题。安森美半导体高级应用工程经理郑宗前在文中针对这些问题的发生原因和解决方法展开论述。 　　电解电容寿命与LED不相匹配的问题 　　LED照明的一个重要的考虑因素，就是LED驱动电路与LED本身的工作寿命应该能够相提并论。虽然影响驱动电路可靠性的因素有很多，但其中电解电容对总体可靠性有至关重要的影响。为了延长系统工作寿命，需要有针对性地分析应用中的电容，并选择恰当的电解电容。 　　实际上，电解电容的有效工作寿命在很大程度上受环境温度及由作用在内部阻抗上的纹波电流导致的内部温升影响。电解电容制造商提供的电解电容额定寿命是根据暴露在最高额定温度环境及施加最大额定纹波电流条件下得出的。在105°C时典型电容额定寿命可能是5000小时，电容所实际遭受的工作应力相比额定电平越低，有效工作寿命也就越长。 　　因此，一方面，选择额定工作寿命长及能够承受高额定工作温度的电解电容当然能够延长工作寿命。另一方面，根据实际的应力和工作温度，仍然可以选择较低额定工作温度和额定寿命的电容，从而提供更低成本的解决方案;换个角度说，在设计中考虑保持适当的应力和工作温度，可以有效地延长电解电容的工作寿命，使其更能与LED寿命相匹配。 　　举例来说，安森美半导体符合“能源之星”固态照明标准的离线型LED驱动器Green Point?参考设计选择了松下的ECA-1EM102铝电解电容，其额定值为1000μF、25V、850mA、2，000小时及85°C。在假定50°C环境温度条件下，这电容的可用寿命超过12万小时。因此，尽力使LED驱动电路工作在适宜的温度条件并妥善处理散热问题，就能实现LED驱动电路与LED工作寿命的匹配问题。 　　总的来看，如果LED驱动电路中必须使用电解电容，那就必须努力控制电容所受的应用力及工作温度，从而最大程度延长电容工作寿命，以期与LED寿命匹配；另一方面，设计人员也应该尽可能地避免使用电解电容。 　　LED灯闪烁的常见原因与处理办法 　　通常人眼能够感知到频率达70Hz的光闪烁，高于这个频率则不会感知。故在LED照明应用中，如果脉冲信号出现频率低于70Hz的低频分量，人眼就会感受到闪烁。当然，在具体应用中，有多种因素可能导致LED灯闪烁。例如，在离线式低功率LED照明应用中，一种常见的电源拓扑结构是隔离型反激拓扑结构。 　　以安森美半导体符合“能源之星”固态照明标准的8W离线型LED驱动器GreenPoint?参考设计为例，由于反激稳压器的正弦方波功率转换并未给初级偏置提供恒定能量，动态自供电(DSS)电路可能会激活并引发光闪烁。为了避免这个问题，必须使初级偏置能够在每个半周期部分放电，相应地，需要恰当选择构成这偏置电路的电容和电阻的量值。 　　另外，即使是在使用提供极佳功率因数校正、支持TRIAC调光的LED驱动应用中，也要求电磁干扰(EMI)滤波器。由TRIAC阶跃(step)引起的瞬态电流会激发EMI滤波器中电感和电容的自然谐振。如果这谐振特性导致输入电流降至TRIAC维持电流之下，TRIAC将会关闭。 　　短暂延时后，TRIAC通常又会导通，激发同样的谐振。在输入电源波形的一个半周期内，这系列事件可能会重复多次，从而形成可见的LED闪烁。为了应对这个问题，TRIAC调光的一项关键要求就是EMI滤波器的输入电容极低，且这电容要能够通过TRIAC及绕线阻抗解耦。根据公式，调光模块中电容减小的话，就能够增大谐振电路的电阻，原理上就抑制振荡，恢复想要的电路工作。 　　PWM调光对LED的寿命有何影响 　　LED本身的寿命很长，PWM调光并不会损及LED的预期寿命;甚至由于PWM调光帮助减小LED发热量，实际上还能帮助延长LED预期寿命。当然，在系统设计中，需要有效地检测及控制LED温度，保证LED可靠工作，体现其长寿命和低维护成本的优势。 　　利用TRIAC调光调控LED亮度的潜在问题 　　当前TRIAC调光是一种颇受市场欢迎的调光方式。TRIAC调光器最初是为白炽灯设计的，但诸如安森美半导体这样的领先供应商也推出了支持TRIAC调光的LED驱动器，非常适合在LED照明中提供TRIAC调光。但这种方式也有其局限所在，如增加电路复杂性、影响功率因数、调光级别相对有限等问题。 　　安森美半导体最新推出了用于住宅及商业LED照明应用的LED驱动器NCL30000。这器件使用临界导电模式(CrM)反激架构，以单段式拓扑结构提供高于0.95的功率因数，故又省却直流-直流(DC-DC)转换段，简化了电路。这器件即使在低电平时也提供极高能效，符合各种规范要求及整体系统光效要求。另外，这器件兼容于前沿TRIAC调光器及尾沿晶体管调光器，视乎所用的调光器，LED光输出可调至低于2%，提供优异的调光性能。