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LED調(diào)光方案對比與解析

發(fā)布時(shí)間:2010-03-09

中心議題:
  • LED的發(fā)光特性
  • 恒功率控制LED調(diào)光方式
解決方案:
  • 采用單級FLYBACK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
  • 多了一個(gè)調(diào)光信號控制回路

作為一種新的、最有潛力的光源,LED照明以其節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢越來越受到人們重視。加上國家和地方政府的政策鼓勵,我國的LED照明產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了加速發(fā)展階段,運(yùn)用市場迅速增長。在室內(nèi)照明方面,用LED燈替代傳統(tǒng)的可調(diào)光白熾燈或者鹵素?zé)粢矊⑹谴髣菟叀?br />
由于傳統(tǒng)的白熾燈調(diào)光器采用可控硅調(diào)光器,用LED燈替代白熾燈時(shí),要求不能改變原有線路,還要能適應(yīng)現(xiàn)有的可控硅調(diào)光器。針對這一目標(biāo)市場,目前很多大的半導(dǎo)體廠商(包括國際知名半導(dǎo)體廠商)都已經(jīng)推出了自己的LED調(diào)光ASIC,但由于LED固有的發(fā)光原理,目前市面上的LEDASIC調(diào)光案都還不是很成熟,都有其固有的問題,本文就將針對目前的調(diào)光方案做一個(gè)詳細(xì)的分析,并介紹我們基于MCU的調(diào)光方案。

LED的發(fā)光特性

目前的新技術(shù)使LED能夠達(dá)到很高的功率水平,LED的功率能夠達(dá)到1W,甚至有些達(dá)到5W,光效達(dá)到60-85LM/W,這種LED設(shè)備稱為高亮LED(HB-LED)。目前我們用在照明上LED都是HB-LED,一般都是選擇1W的LED通過串并聯(lián)的方式組成大功率LED燈,尤其以串聯(lián)為主。這種LED的為3.4V±2%,正向電流為350mA左右。其-曲線如圖1.1所示。


              圖1.1 LED—曲線
從圖1中可以看出,當(dāng)加在LED兩端的電壓沒有達(dá)到3.4V之前,隨著的增加而增加。當(dāng)加在LED兩端的電壓達(dá)到3.4V時(shí),的變化很小,增加LED兩端的電壓只會增加流過LED的電流,從而改變LED的亮度,直到增加到LED的最大 (350MA),LED達(dá)到最大亮度。而一直被箝位在(3.4V)左右。并且會隨著溫度和LED工作時(shí)間的變化而變化,變化曲線如圖1.2所示。

圖1.2 相對變化對溫度的變化曲線[page]
  
從圖1.2可以看出,隨著溫度的上升,會逐漸變小,相反,當(dāng)溫度降低時(shí),會增加。當(dāng)LED的溫度上升到85度時(shí),已經(jīng)有變成3.25V(3.4V-0.15V),相反當(dāng)LED溫度降到-40度時(shí),變成3.6V(3.4V+0.2V)。
  
所以在LED調(diào)光時(shí),要想讓LED調(diào)到一個(gè)固定的亮度,就必須要保證一個(gè)固定的,也就說要采用恒流控制。還有另一種方式:恒功率控制。這也是目前市面上調(diào)光ASIC普遍采用的方式。但恒功率控制有其固有的缺陷。
  
恒功率控制LED調(diào)光方式
  
1理論依據(jù)
  
恒功率控制方式一般采用單級FLYBACK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),基本框圖如圖2.1所示。


圖2.1恒功率控制方式框圖
  
從圖中可以看出與一般開關(guān)電源的FLYBACK相比,恒功率方案多了一個(gè)調(diào)光信號控制回路,用于檢測輸入可控硅的導(dǎo)通角和輸入電壓,從而給出相應(yīng)的調(diào)光信號。同時(shí),方案中沒有反饋信號,完全開環(huán)控制,由原邊控制占空比的大小從而控制輸出功率的大小,。其控制的理論依據(jù)為:


式中:
  為輸出給LED的功率;
  為轉(zhuǎn)換器的效率,主要由變壓器決定;
  為原邊變壓器的平均電流;
  為變壓器的原邊電感;
  為FLYBACK的開關(guān)頻率。
  
恒功率控制方式都是先預(yù)知LED的輸出功率,理論上,一旦變壓器設(shè)計(jì)好之后,都已確定,只要改變原邊電流的大小,就可以改變輸出功率的大小。再由于:


式中:
  
U為加在變壓器原邊的電壓,即輸入電壓;D為占空比;為開關(guān)頻率;為變壓器的原邊電感。根據(jù)式2.2可知,與D成正比,只要改變占空比D就能改變原邊電流的大小,也就能改變輸出功率的大小。
  
2優(yōu)缺點(diǎn)
  
理論上,這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單,成本低,但仔細(xì)分析就會發(fā)現(xiàn),這種方式存在很多弊端。首先是很難控制,往往偏差很大,再加上采用開環(huán)控制,精度很難保證,在批量時(shí),用同樣的占空比都會導(dǎo)致輸出功率偏差很大,直接體現(xiàn)在燈上就是LED的亮度會偏差很大,很難保證其一致性。
  
其次,恒功率控制都是預(yù)先假定輸出功率是恒定的,比如用9個(gè)1W(=3.4V, =350MA)的LED串聯(lián)起來用做一個(gè)9W的PAR燈,那么設(shè)計(jì)時(shí)候就會用=9W來計(jì)算。但實(shí)際上每個(gè)LED的都會偏差,偏差值如表2.1所示:


從表格2.1可以看出,雖然每個(gè)LED的偏差都不會太大,但當(dāng)LED串聯(lián)起來時(shí),總的偏差就不能忽略了。PAR燈的實(shí)際功率可能不止9W或者不到9W,直接反應(yīng)在燈上就是最大亮度沒有到額定值或者比額定值要亮。當(dāng)PAR燈的實(shí)際功率不到9W時(shí),而驅(qū)動的輸出功率依然是9W,那么流經(jīng)LED的電流就已經(jīng)超過了額定的,長期工作對LED的壽命和顯色性都會造成一定的影響。
  
另外,就算LED出廠時(shí)沒有偏差,根據(jù)圖1.2所示,也會隨著溫度和工作時(shí)間的變化而變化,當(dāng)由于的變化使得LED的額定功率小于9W時(shí),長期工作將會影響LED的使用壽命和顯色性。
  
再次,功率兼容性問題。由于恒功率控制方式都是預(yù)先設(shè)定好輸出功率,當(dāng)所接的燈功率與預(yù)先設(shè)定的功率不匹配時(shí),LED燈不能正常工作。當(dāng)所接的燈的功率小于預(yù)設(shè)功率時(shí),甚至?xí)龤ED燈。
  
還有就是空載損耗的問題,由于恒功率控制方案的輸出功率只與輸入電壓和導(dǎo)通角的大小有關(guān),當(dāng)沒有與接LED燈時(shí),依然會有相應(yīng)的功率輸出,使得空載損耗變得很大。
  
最后,調(diào)光器的兼容性問題。由于LED是用來替代以前的白熾燈,所以LED調(diào)光也必須用可控硅調(diào)光。白熾燈是純阻性負(fù)載,對可控硅的導(dǎo)通不會造成什么影響,但LED的驅(qū)動電路由開關(guān)電源組成,就不是一個(gè)純負(fù)載了,因此會對可控硅造成一定的影響。可控硅的斬波波形很容易產(chǎn)生畸變,尤其很難保持很好的導(dǎo)通狀態(tài)。所以在驅(qū)動上一般都要加可控硅穩(wěn)定電路。恒功率控制法由于其純硬件實(shí)現(xiàn),就算加了可控硅穩(wěn)定電路,對調(diào)光器的適應(yīng)性也有限。
  
由于恒功率控制有其結(jié)構(gòu)簡單,成本低的優(yōu)點(diǎn),而其缺點(diǎn)部分短時(shí)間里可能沒能體現(xiàn)出來,所以很多半導(dǎo)體廠商都采用此方法。但若采用MCU控制恒流的方案,以上問題都可以很好的解決。
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