高品質(zhì)LED供電電源的設(shè)計

高品質(zhì) 供電電源的設(shè)計附圖表導(dǎo)讀在設(shè)計燈具的過程中，當(dāng)系統(tǒng)架構(gòu)工程師是位電子電力專家，或者電源設(shè)計被承包給一家工程公司時，一些標(biāo)準(zhǔn)電源設(shè)計中常見的習(xí)慣就會出現(xiàn)在驅(qū)動器設(shè)計中。一些習(xí)慣是很有用的，因為驅(qū)動器在很多方面與傳統(tǒng)的恒壓源非常相似。 半導(dǎo)體照明這一新興領(lǐng)域的出現(xiàn)，使同時專長于電力電子學(xué)、光學(xué)和熱管理學(xué)這三個領(lǐng)域的工程師成為搶手人才。目前，在三個領(lǐng)域都富有經(jīng)驗的工程師并不很多，而這通常意味著系統(tǒng)工程師或者整體產(chǎn)品工程師的背景要和這三大領(lǐng)域相關(guān)，同時他們還需盡可能與其他領(lǐng)域的工程師協(xié)作。系統(tǒng)工程師常常會把自己在原有領(lǐng)域養(yǎng)成的習(xí)慣或積累的經(jīng)驗帶入設(shè)計工作中，這和一個主要研究數(shù)字系統(tǒng)的電子工程師轉(zhuǎn)去解決電源管理問題時所遇到的情況相似：他們可能依靠單純的仿真，不在試驗臺上對電源做測試就直接在電路板上布線，因為他們沒有認(rèn)識到：開關(guān)穩(wěn)壓器需要仔細(xì)檢查電路板布局；另外，如果沒有經(jīng)過試驗臺測試，實際的工作情況很難與仿真一致。在設(shè)計 燈具的過程中，當(dāng)系統(tǒng)架構(gòu)工程師是位電子電力專家，或者電源設(shè)計被承包給一家工程公司時，一些標(biāo)準(zhǔn)電源設(shè)計中常見的習(xí)慣就會出現(xiàn)在 驅(qū)動器設(shè)計中。些習(xí)慣是很有用的，因為驅(qū)動器在很多方面與傳統(tǒng)的恒壓源非常相似。這兩類電路都工作在較寬的輸入電壓范圍和較大的輸出功率下，另外，這兩類電路都面對連接到交流電源、直流穩(wěn)壓電源軌還是電池上等不同連接方式所帶來的挑戰(zhàn)。電力電子工程師習(xí)慣于總想確保輸出電壓或電流的高精確度，但這對 驅(qū)動器設(shè)計而言并不是很好的習(xí)慣。諸如和 之類的數(shù)字負(fù)載需要更低的核心電壓，而這又要求更嚴(yán)格的控制，以防止出現(xiàn)較高的誤碼率。因此，數(shù)字電源軌的公差通常會控制在土以內(nèi)或比它們的標(biāo)稱值小，也可用其絕對數(shù)值表示，如至。在將傳統(tǒng)電源的設(shè)計習(xí)慣引入 驅(qū)動器設(shè)計領(lǐng)域時，通常帶來的問題是：為了實現(xiàn)對輸出電流公差的嚴(yán)格控制，將浪費(fèi)更多的電力并使用更昂貴的器件，或者二者兼而有之。 成本壓力理想的電源是成本不高，效率能達(dá)到，并且不占用空間。電力電子工程師習(xí)慣了從客戶那里聽取意見，他們也會盡最大力量去滿足那些要求，力圖在最小的空間和預(yù)算范圍內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。在進(jìn)行驅(qū)動器設(shè)計時也不例外，事實上它面對更大的預(yù)算壓力，因為傳統(tǒng)的照明技術(shù)已經(jīng)完全實現(xiàn)了商品化，其價格已經(jīng)非常低廉。所以，花好預(yù)算下的每一分錢都非常重要，這也是一些電力電子設(shè)計師工程師被老習(xí)慣“引入歧途”的地方。要將電流的精確度控制到與數(shù)字負(fù)載的供電電壓的精度相同，則會既浪費(fèi)電，又浪費(fèi)成本。到是當(dāng)前大多數(shù)產(chǎn)品的電流范圍，特別是目前 是熱管理和照明效率間常采納的折衷方案?？刂乞?qū)動器的集成電路是硅基的，所以在的范圍內(nèi)有一個典型的帶隙。要在處達(dá)到的容差，亦即需要土的電壓范圍。這并不難實現(xiàn)，能達(dá)到這種容差或更好容差范圍的低價電壓參考電路或電源控制種類繁多，價格低廉。當(dāng)控制輸出電壓時，可在極低功率下使用高精度電阻來反饋輸出電壓。為控制輸出電流，需要對反饋方式做出一些調(diào)整，如圖所示。這是目前控制輸出電流的唯一且最簡單的手段。圖a電壓反饋；圖：電流反饋深入研究之后，就會發(fā)現(xiàn)這種做法的一個主要缺點是：負(fù)載和反饋電路二者是完全相同的。參考電壓被加在與 串聯(lián)的一個電阻上，這意味著參考電壓或 電流越高，電阻消耗的功率越大。所以，第一代專用 驅(qū)動集成電路的參考電壓要遠(yuǎn)低于現(xiàn)在的產(chǎn)品，這類似于電池充電器。電壓更低意味著功耗更低，也意味著更小、更便宜、更低損耗的電流檢測電阻。在圖所示的簡單的低端反饋環(huán)境下， 是常規(guī)的電壓選擇。但是，要在 參考電壓下實現(xiàn)土的容差，則需要一個價格很高的集成電路，此時相對于標(biāo)稱參考電壓的容差為土。盡管這并不是不可能實現(xiàn)的，不過更高的精度需要更高的成本。土 的容差需要高精度電壓參考所需的生產(chǎn)、測試和分檔技術(shù)，此時，附加成本應(yīng)花費(fèi)在更智能的 驅(qū)動器上。新的費(fèi)用的價值是增加了一個反饋回路，借助該回路，可以利用光輸出來控制如何驅(qū)動E 測量光輸出就像數(shù)字產(chǎn)品設(shè)計師在電源設(shè)計中遇到不確定問題時會采取仿真解決問題那樣，電力電子工程師出身的系統(tǒng)架構(gòu)師在進(jìn)行 燈具設(shè)計時會想到高精度的輸出。 制造商已經(jīng)清楚的表明，光通量與前向電流成正比。利用相同的電流驅(qū)動所有 ，那么每個會產(chǎn)生相同的光通量。因此，電力電子工程師就會得出結(jié)論：高精確度的電流是必須的。這樣一來，他們就忘記了光輸出的流明和勒克斯值才是重點。測量電流是很容易的，而相對的，測量光則需要昂貴的大型設(shè)備，如圖所示的積分球，而大部分電子工程師對積分球都不太了解。圖2光學(xué)積分球截面圖另外，即使容差為土的電流源有巨大的市場價值，它對在實際光輸出中產(chǎn)生嚴(yán)格的容差值上沒有什么作用。通過觀察 光通量的分檔可以確定這一點。表給出了世界三大頂級電力光電半導(dǎo)體制造商的高端冷白光 在和5 條件下的光通量分檔結(jié)果。注意最后一列是各分檔的容差平均值，而不是所有光通量分檔范圍內(nèi)的容差。表世界三大頂級電力光電半導(dǎo)體制造商的高端冷白光在和？下的光通量分檔結(jié)果計算光輸出精度了解到來自單個通量分檔的 光輸出會有土到土的容差之后，系統(tǒng)工程師可能會因此得出結(jié)論：驅(qū)動電流容差值必須是越嚴(yán)格越好。然而從統(tǒng)計學(xué)角度來看，該觀點并不正確。一個常見的但不正確的假設(shè)是：任何值的整體容差都等于最壞條件下各值的簡單累加。為 供電的電流源的容差和 光通量的容差是互不相關(guān)的它們在最初階段就已相互獨(dú)立。對于不相關(guān)的兩個因子和Y整體容差并不是和的容差之和，而是應(yīng)該利用下述表達(dá)式進(jìn)行計算：表和圖給出了整體容差和假設(shè)電流源容差的對比情況，此時假設(shè)光輸出在 的區(qū)域內(nèi)隨前向電流呈線性變化。表整體容差和假設(shè)電流源容差的對比情況圖3整體容差和假設(shè)電流源容差的對比情況根據(jù)方程可以發(fā)現(xiàn)，最低容差因子的作用大于其他，而且實際的整體容差值要遠(yuǎn)優(yōu)于各個因子在最壞情況下的容差和，尤其是當(dāng)其中一個因子遠(yuǎn)好于其他因子時。圖可知，電流源容差的最合理目標(biāo)是將其控制在光輸出的容差范圍內(nèi)。請記?。撼鲇诔杀究紤]，許多燈具會使用來自不同分檔的。表列出了相同所具有的最高兩檔、三檔、四檔光通量分檔下的容差值。表相同 所具有的最高兩檔、三檔、四檔光通量分檔下的容差值調(diào)光控制制造商和他們的分銷伙伴正努力地改進(jìn)產(chǎn)品的光通量容差，在合理的成本范圍內(nèi)提供更細(xì)的分檔。對于那些希望產(chǎn)品可使用年或0 個小時，并在使用期內(nèi)保持整體光輸出不變的設(shè)計師而言，即使想滿足最密集的通量分檔和設(shè)定的容差電流源也很難實現(xiàn)。因為熱量和隨著時間延長而產(chǎn)生的性能衰減等兩個重要因素會降低的光通量，即使電流源容差和 光通量容差都達(dá)到也無法解決該問題?？紤]到這些損耗，高質(zhì)量固態(tài)照明產(chǎn)品設(shè)計師必須找到具有額外反饋回路的電源，也即找到熱量和光源。為此需要進(jìn)行調(diào)光控制，那些可以對輸出電流進(jìn)行線性控制和控制的集成電路便成為最佳選擇。例如，美國國家半導(dǎo)體的 和都是驅(qū)動器控制，它們是適用于半導(dǎo)體照明的第二代電流源。兩款產(chǎn)品均可通過可變電阻器或電壓源來控制平均的電流值，并且可為調(diào)光信號提供專門的輸入信號。除了線性控制回路外， 和 的模擬調(diào)節(jié)功能也令系統(tǒng)設(shè)計師可以在權(quán)衡輸出電流精度及尺寸、成本和電流檢測電阻的功耗間做出自己的選擇。圖所示的 控制降壓電路，是功率驅(qū)動器中最常用的電路模式。圖中的可以作為升壓穩(wěn)壓器 驅(qū)動器，也可以作為降壓升壓、 、反激式甚至是“懸浮”降壓電路。圖4 降壓驅(qū)動器圖5升壓驅(qū)動器需要光控制的應(yīng)用領(lǐng)域路燈是一個很好的光源示例，因為它有嚴(yán)格的法定標(biāo)準(zhǔn)限制。對于公路用路燈，歐盟國家規(guī)定了其最小和最大的光輸出及照明模式。對于符合此規(guī)定并提供五年或更長使用壽命的路燈來說，設(shè)計時必須考慮到熱量引起的即時光通量損失，以及更長時間下性能下降帶來的通量損失。一種很自然的方法是使用光傳感器，比如構(gòu)成線性控制回路的光電二極管。在系統(tǒng)啟用的第一天，就應(yīng)該只使用整體可用驅(qū)動電流的一部分，這樣做是考慮到隨著時間推移，驅(qū)動電流將慢慢增至一個上限，籍此保證光輸出恒定。可以將光電二極管偏置，并轉(zhuǎn)換為一路脈寬調(diào)制信號，這將有助于在調(diào)光范圍內(nèi)維持更加恒定的相對色溫，其線性控制回路更加簡單，一般而言調(diào)光范圍也比較小。根據(jù)不同的時間、運(yùn)動傳感器或其他節(jié)省功耗的措施，對光輸出進(jìn)行控制時，控制將更加有用。圖給出了具有更長壽命、光輸出恒定的 燈的假定原理框圖。圖6用于日夜控制，線性控制用于光輸出。小結(jié)輸出電流精度只是評價驅(qū)動器性能的一個方面，但是當(dāng)本身的光通量容差保持在遠(yuǎn)高于土的水平時，即使對電流源容差和數(shù)字處理器中電壓軌的容差要求一樣嚴(yán)格，也幾乎沒有任何意義，平均電流容差應(yīng)當(dāng)幾乎等于光通量容差?；趩蝹€分檔的誤差探討了一種理想情況，并給出了一些實際的例子，這些例子使用兩個或更多分檔的E其容差也可更輕松地達(dá)到土％土或更高。在額外的控制回路中，應(yīng)該將成本開銷用于的電流控制，并可將電力用在更高的檢測電壓方面。有些燈會更強(qiáng)調(diào)簡單實用和低成本，此時即使采用線性調(diào)光也會顯得過于復(fù)雜和昂貴，但如果想要設(shè)計出發(fā)揮全部性能的燈具，就需要使用線性控制或方式或者二者協(xié)調(diào)使用，從而令產(chǎn)品性能和壽命達(dá)到最優(yōu)。系統(tǒng)應(yīng)用工程師美國國家半導(dǎo)體【X 】附圖表導(dǎo)讀在設(shè)計 燈具的過程中，當(dāng)系統(tǒng)架構(gòu)工程師是位電子電力專家，或者電源設(shè)計被承包給一家工程公司時，一些標(biāo)準(zhǔn)電源設(shè)計中常見的習(xí)慣就會出現(xiàn)在驅(qū)動器設(shè)計中。一些習(xí)慣是很有用的，因為驅(qū)動器在很多方面與傳統(tǒng)的恒壓源非常相似。 半導(dǎo)體照明這一新興領(lǐng)域的出現(xiàn)，使同時專長于電力電子學(xué)、光學(xué)和熱管理學(xué)這三個領(lǐng)域的工程師成為搶手人才。目前，在三個領(lǐng)域都富有經(jīng)驗的工程師并不很多，而這通常意味著系統(tǒng)工程師或者整體產(chǎn)品工程師的背景要和這三大領(lǐng)域相關(guān)，同時他們還需盡可能與其他領(lǐng)域的工程師協(xié)作。系統(tǒng)工程師常常會把自己在原有領(lǐng)域養(yǎng)成的習(xí)慣或積累的經(jīng)驗帶入設(shè)計工作中，這和一個主要研究數(shù)字系統(tǒng)的電子工程師轉(zhuǎn)去解決電源管理問題時所遇到的情況相似：他們可能依靠單純的仿真，不在試驗臺上對電源做測試就直接在電路板上布線，因為他們沒有認(rèn)識到：開關(guān)穩(wěn)壓器需要仔細(xì)檢查電路板布局；另外，如果沒有經(jīng)過試驗臺測試，實際的工作情況很難與仿真一致。在設(shè)計燈具的過程中，當(dāng)系統(tǒng)架構(gòu)工程師是位電子電力專家，或者電源設(shè)計被承包給一家工程公司時，一些標(biāo)準(zhǔn)電源設(shè)計中常見的習(xí)慣就會出現(xiàn)在驅(qū)動器設(shè)計中。一些習(xí)慣是很有用的，因為驅(qū)動器在很多方面與傳統(tǒng)的恒壓源非常相似。這兩類電路都工作在較寬的輸入電壓范圍和較大的輸出功率下，另外，這兩類電路都面對連接到交流電源、直流穩(wěn)壓電源軌還是電池上等不同連接方式所帶來的挑戰(zhàn)。電力電子工程師習(xí)慣于總想確保輸出電壓或電流的高精確度，但這對 驅(qū)動器設(shè)計而言并不是很好的習(xí)慣。諸如和 之類的數(shù)字負(fù)載需要更低的核心電壓，而這又要求更嚴(yán)格的控制，以防止出現(xiàn)較高的誤碼率。因此，數(shù)字電源軌的公差通常會控制在土以內(nèi)或比它們的標(biāo)稱值小，也可用其絕對數(shù)值表示，如至。在將傳統(tǒng)電源的設(shè)計習(xí)慣引入 驅(qū)動器設(shè)計領(lǐng)域時，通常帶來的問題是：為了實現(xiàn)對輸出電流公差的嚴(yán)格控制，將浪費(fèi)更多的電力并使用更昂貴的器件，或者二者兼而有之。 成本壓力理想的電源是成本不高，效率能達(dá)到，并且不占用空間。電力電子工程師習(xí)慣了從客戶那里聽取意見，他們也會盡最大力量去滿足那些要求，力圖在最小的空間和預(yù)算范圍內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。在進(jìn)行驅(qū)動器設(shè)計時也不例外，事實上它面對更大的預(yù)算壓力，因為傳統(tǒng)的照明技術(shù)已經(jīng)完全實現(xiàn)了商品化，其價格已經(jīng)非常低廉。所以，花好預(yù)算下的每一分錢都非常重要，這也是一些電力電子設(shè)計師工程師被老習(xí)慣“引入歧途”的地方。要將電流的精確度控制到與數(shù)字負(fù)載的供電電壓的精度相同，則會既浪費(fèi)電，又浪費(fèi)成本。到是當(dāng)前大多數(shù)產(chǎn)品的電流范圍，特別是目前 是熱管理和照明效率間常采納的折衷方案?？刂乞?qū)動器的集成電路是硅基的，所以在的范圍內(nèi)有一個典型的帶隙。要在處達(dá)到的容差，亦即需要土的電壓范圍。這并不難實現(xiàn)，能達(dá)到這種容差或更好容差范圍的低價電壓參考電路或電源控制種類繁多，價格低廉。當(dāng)控制輸出電壓時，可在極低功率下使用高精度電阻來反饋輸出電壓。為控制輸出電流，需要對反饋方式做出一些調(diào)整，如圖所示。這是目前控制輸出電流的唯一且最簡單的手段。圖a電壓反饋；圖：電流反饋深入研究之后，就會發(fā)現(xiàn)這種做法的一個主要缺點是：負(fù)載和反饋電路二者是完全相同的。參考電壓被加在與 串聯(lián)的一個電阻上，這意味著參考電壓或 電流越高，電阻消耗的功率越大。所以，第一代專用 驅(qū)動集成電路的參考電壓要遠(yuǎn)低于現(xiàn)在的產(chǎn)品，這類似于電池充電器。電壓更低意味著功耗更低，也意味著更小、更便宜、更低損耗的電流檢測電阻。在圖所示的簡單的低端反饋環(huán)境下， 是常規(guī)的電壓選擇。但是，要在 參考電壓下實現(xiàn)土的容差，則需要一個價格很高的集成電路，此時相對于標(biāo)稱參考電壓的容差為土。盡管這并不是不可能實現(xiàn)的，不過更高的精度需要更高的成本。土 的容差需要高精度電壓參考所需的生產(chǎn)、測試和分檔技術(shù)，此時，附加成本應(yīng)花費(fèi)在更智能的 驅(qū)動器上。新的費(fèi)用的價值是增加了一個反饋回路，借助該回路，可以利用光輸出來控制如何驅(qū)動E 測量光輸出就像數(shù)字產(chǎn)品設(shè)計師在電源設(shè)計中遇到不確定問題時會采取仿真解決問題那樣，電力電子工程師出身的系統(tǒng)架構(gòu)師在進(jìn)行 燈具設(shè)計時會想到高精度的輸出。 制造商已經(jīng)清